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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, insbesondere ein zylinderartiges Kraftstoffeinspritzventil, das der Einspritzung in einen Zylinder dient. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Nadelventil derjenigen Art, bei der einem Kraftstoffstrom mittels einer Verwirbelungseinrichtung eine Verwirbelungsenergie vermittelt wird, so daß Kraftstoff durch eine Kraftstoffeinspritzdüse eingespritzt wird.
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Stand der Technik
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Bislang wurden verschiedene Arten von Kraftstoffeinspritzventilen vorgeschlagen, bei denen unter Hochdruck gesetzter Kraftstoff mit hoher Effizienz eingespritzt wird. Insbesondere wurden zylinderartige Kraftstoffeinspritzventile für die Einspritzung in einen Zylinder der Art vorgeschlagen, bei denen einem Kraftstoffstrom eine Verwirbelungsenergie derart vermittelt wird, daß Kraftstoff durch eine Kraftstoffeinspritzdüse unmittelbar in eine Brennkammer eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird. Ein derartiges Kraftstoffeinspritzventil ist im allgemeinen mit einem Einspritzventilkörper mit einem Ventil (wie z. B. einem Nadelventil, einem Kugelventil oder ähnlichem) und einem Ventilsitz, mit einem Gehäuse, das ein Solenoid zum Betätigen des Ventils aufweist, und einem Verwirbler versehen, der einem Kraftstoffstrom eine Verwirbelungsenergie vermittelt.
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Jedoch wurde bislang in Veröffentlichungen zu den vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzventilen nicht im einzelnen die Form des Verwirblers, des Ventilsitzes und der Kraftstoffeinspritzdüse beschrieben. Die Veröffentlichungen zeigen nämlich nicht deutlich Zahlenwerte und Beziehungen der Formen des Verwirblers, der für ein erwünschtes Muster eines Kraftstoffsprühnebels sorgt, ebenso zeigen sie nicht die Formen des Ventilsitzes und der Kraftstoffeinspritzdüse. Insbesondere zeigen die Veröffentlichungen nicht deutlich den Aufbau eines Einspritzventils, die eine Form eines Kraftstoffsprühnebels oder eine optimale Verbrennung des Kraftstoffs in einem Motorzylinder mit Einspritzung ausbilden.
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Die
DE 690 04 832 offenbart ein Kraftstoffeinspritzventil, mittels welchem versucht wird, eine gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffnebels bereitzustellen. Das Ventil ist als Kugelventil ausgeführt.
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Dies gilt auch für das luftunterstützte Kraftstoffeinspritzsystem gemäß der
US 5,409,169 .
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Die
US 1,252,254 A betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Nadelventil, zu dem einseitig Kraftstoff zugeführt wird, der bei geschlossenem Ventil in dem Ventil zirkuliert. Ein ähnliches Kraftstoffeinspritzventil geht aus der
FR 1 408 212 A hevor.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Strömungsrate durch eine Kraftstoffeinspritzdüse durch Aufbringen einer Verwirbelungsenergie auf einen Kraftstoffstrom zu sorgen, wodurch die optimale Form eines Kraftstoffsprühnebels realisiert wird, indem die Formen eines Verwirblers, eines Ventilsitzes und einer Kraftstoffeinspritzdüse spezifiziert werden.
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Gemäß der Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzventil nach dem Patentanspruch geschaffen. Im Rahmen der kann die Tiefe der Ringnut die gleiche wie die Tiefe der Verwirbelungsnuten sein, und die Anzahl der äußeren Umfangsflächenabschnitte, der Strömungsdurchgangsabschnitte und der Verwirbelungsnuten kann im Bereich von 4 bis 8 liegen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der äußeren Umfangsflächenabschnitte, der Strömungsdurchgangsabschnitte und der Verwirbelungsnuten 6 betragen.
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Im Rahmen der Erfindung kann eine jede der Verwirbelungsnuten um einen vorbestimmten Abstand zu der Mittelachse eines Ventilschaftes exzentrisch sein, so daß sich eine Seitenfläche der Verwirbelungsnuten, die von der Mittelachse des Ventilschafts entfernter liegt, in einer Tangentialrichtung des Außenumfangs der Ringnut derart erstreckt, daß sie an den Außenumfang angrenzt.
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Im Rahmen der Erfindung können die gegenüberliegenden Seitenflächen einer jeder der Verwirbelungsnuten parallel zueinander sein.
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Im Rahmen der Erfindung kann ein jeder der Strömungsdurchgangsabschnitte in einer Draufsicht des Verwirblers eine Seite einer regelmäßigen Vieleckform bilden.
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Im Rahmen der Erfindung können die Formen der Ringnut, des Ventils und des Ventilsitzes so bestimmt sein, daß die Summe eines Volumens der Ringnut und eines Volumens eines Bereichs an der stromabwärtigen Seite der Ringnut bis zu einem Sitzabschnitt, an dem das Ventil in Kontakt mit dem Ventilsitz gebracht wird, eine vorbestimmte Kraftstoffmenge in dem mittleren Sprühnebel erzeugt.
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Im Rahmen der Erfindung kann das Volumen der Ringnut größer sein als das Volumen des Bereichs an einer stromabwärtigen Seite der Ringnut bis zu einem Sitzabschnitt, an dem das Ventil in Berührung mit dem Ventilsitz gebracht wird.
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Im Rahmen der Erfindung kann eine Seitenfläche der Verwirbelungsnuten, die von der Mittelachse eines Ventilschafts entfernter liegt, in einer Tangentialrichtung des Außenumfangs der Ringnut ausgedehnt sein, und die gesamte Länge von Bogenabschnitten der Ringnut kann ein Fünftel (1/5) oder weniger der Länge des Außenumfangs der Ringnut in dem Fall betragen, daß die Ringnut die ursprüngliche kreisförmige Form annimmt.
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Im Rahmen der Erfindung kann ein Verhältnis (L/D) der Länge (L) der Einspritzdüse zu dem Durchmesser (D) der Düse 1,0–2,0 betragen.
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Im Rahmen der Erfindung kann der Flächenbereich der Einspritzdüse größer als der maximale Flächenbereich einer Öffnung eines Sitzabschnittes sein, an dem das Ventil in Berührung mit dem Ventilsitz gebracht wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Eine vollständige Würdigung der Erfindung und viele der dadurch erhaltenen Vorteile werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich.
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Es zeigen:
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1 eine Längsquerschnittsansicht des gesamten Aufbaus einer Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines Verwirblers, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei der Verwirbler von der Seite des Ventilsitzes betrachtet wird;
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3 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts um einen Ventilsitz in einer Ventileinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4a–4c Ansichten zur Erklärung einer Ausführungsform eines Verwirblers, einer Ventileinheit und eines Ventilsitzes im einzelnen, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
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5a eine Vertikalschnittsansicht einer Form einer Kraftstoffeinspritzung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5b eine Graphik einer Beziehung einer Strömungsrate zu einem Winkel bezüglich der Mitte des Kraftstoffeinspritzventils; und
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6a und 6b vergrößerte Querschnittsansichten der Kraftstoffeinspritzdüse und benachbarter Abschnitte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
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Eine ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gegeben, in denen gleiche Referenznummern die gleichen oder entsprechende Teile bezeichnen.
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1 ist eine Längsquerschnittsansicht des grundlegenden Aufbaus eines zylinderartigen Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ein zylinderartiges Kraftstoffeinspritzventil 1 weist ein Gehäuse 2 und eine Ventileinheit 3 auf, die an einem Ende des Gehäuses durch Verstemmen oder ähnlichem angeschlossen ist und mit einem Halter 35 abgedeckt ist. Das andere Ende des Gehäuses ist an eine Kraftstoffzuführröhre 4 angeschlossen, durch welche unter Hochdruck gesetzter Kraftstoff in das zylinderartige Kraftstoffeinspritzventil 1 über einen Kraftstoffilter 57 zugeführt wird. Ein Endabschnitt des zylinderartigen Kraftstoffeinspritzventils 1 ist in einen Einspritzventil-Einführkanal 6 eines Zylinderkopfes 5 in einen Verbrennungsmotor eingeführt und dichtend an dem Zylinderkopf 5 mittels einer Wellenscheibe 60 oder ähnlichem angebracht.
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Die Ventileinheit weist einen hohlen Ventilkörper 9 mit einer hohlen zylindrischen Form mit einem gestuften Abschnitt mit einem zylindrischen Abschnitt mit kleinem Durchmesser 7 und einem zylindrischen Abschnitt mit großem Durchmesser 8, einen Ventilsitz 11, der mit einer Kraftstoffeinspritzdüse 10 versehen ist, die fest an einen Endabschnitt der zentralen Öffnung des hohlen Ventilkörpers 9 angeschlossen ist, ein Nadelventil 12 als ein Ventil, das in Berührung mit dem Ventilsitz 11 gebracht wird und von diesem getrennt wird, und zwar mittels eines Solenoids 50, das später beschrieben wird, so daß die Kraftstoffeinspritzdüse 10 geöffnet und geschlossen wird, und einen Verwirbler 13 auf, der das Nadelventil 12 in der Axialrichtung führt und der dem Kraftstoff, der in der radialen Richtung nach innen zu der Kraftstoffeinspritzdüse 10 des Ventilsitzes 11 zugeführt wird, eine Verwirbelungsbewegung aufprägt. Der Ventilkörper 15 der Ventileinheit 3 bildet in Verbindung mit dem Gehäuse 2 ein Gehäuse für das zylinderartige Kraftstoffeinspritzventil 1.
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Das Gehäuse 2 weist einen ersten Gehäuseabschnitt 30 mit einem Flansch 30a zum Befestigen des Kraftstoffeinspritzventils 1, das der Einspritzung in einen Zylinder dient, an dem Zylinderkopf und einen zweiten Gehäuseabschnitt 40 auf, der mit dem Solenoid 50 verbunden ist. Das Solenoid 50 weist einen Spulenabschnitt 52, um den eine Spule 51 gewunden ist, und einen Kern 53 auf, der in einem Innenumfangsabschnitt des Spulenabschnitts 52 angeordnet ist, wobei der Windungsdraht der Spule 51 mit einem Anschlußkontakt 56 verbunden ist. Der Kern 53 weist eine hohle zylindrische Form auf, die einen Kraftstoffdurchgang schafft, und der hohle Abschnitt weist eine Feder 55 auf, die zwischen einer Hülse 54 und dem Nadelventil 12 angeordnet ist.
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Ein beweglicher Anker 31 ist an das andere Ende des Nadelventils 10 derart angebracht, daß er einem Endabschnitt des Kerns 53 gegenüberliegt. An einem Zwischenabschnitt des Nadelventils 12 sind eine Führung 12a, welche das Ventil 12 gleitbar entlang des Innenumfangs des hohlen Ventilkörpers 9 führt, und ein Nadelflansch 12b vorgesehen, der sich in Berührung mit einem Abstandshalter 32 befindet, der in dem ersten Gehäuseabschnitt 30 angeordnet ist.
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2 ist eine Vorderansicht des Verwirblers 13, die von der Seite des Ventilsitzes 11 betrachtet wird, und 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die den Ventilsitz der Ventileinheit 3 und einen Abschnitt um den Ventilsitz zeigt. Der Verwirbler 13 der Ventileinheit 3 ist ein im wesentlichen hohles zylindrisches Element mit einer mittleren Öffnung 15, die das Nadelventil 12 umgibt und dieses derart abstützt, das es in. der Axialrichtung gleitbar ist. Wenn der Verwirbler 13 in der Ventileinheit 3 angebracht ist, sorgt er für eine erste Endfläche 13, die in Berührung mit dem Ventilsitz 11 ist, eine zweite Endfläche 17, die dem Ventilsitz 11 gegenüberliegt, sowie einen äußeren Außenumfang 19, der sich zwischen diesen Endflächen erstreckt und Abschnitte aufweist, die mit einem Innenumfang 18 des hohlen Ventilkörpers 9 in Berührung sind, der ein Teil eines hohlen Gehäuses ist.
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Die zweite Endfläche 17 des Verwirblers 13 weist einen Randabschnitt auf, der sich mit einem Absatzabschnitt 20 des inneren Umfangs 18 des hohlen Ventilkörpers 9 in Berührung befindet und durch diesen abgestützt wird, und die zweite Endfläche 17 weist wenigstens eine sich diametral erstreckende Nut 21 auf, so daß Kraftstoff von einem Innenumfangsabschnitt zu einem Außenumfangsabschnitt der zweiten Endfläche 17 strömen kann.
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Der Außenumfang 19 des Verwirblers 13 weist eine Anzahl flacher Flächen auf, die voneinander in einer Umfangsrichtung mit gleichen Abständen getrennt sind und sich in einer Axialrichtung erstrecken. Im Ergebnis weist der Außenumfang 19 mehrere Außenumfangsflächenabschnitte 19a, die sich in Berührung mit dem Innenumfang 18 des hohlen Ventilkörpers 9 befinden, so daß die Stellung des Verwirblers bezüglich des hohlen Ventilkörpers 9 reguliert wird, und die flachen Flächen als Strömungsdurchgangsabschnitte 19b auf, die zwischen benachbarten Außenumfangsflächenabschnitten 19a festgelegt sind, wobei die Strömungsdurchgangsabschnitte 19b dem Innenumfang 18 des hohlen Ventilkörpers 9 zur Ausbildung von Kraftstoffdurchgängen 22 zum Strömen des Kraftstoffs in der Axialrichtung zugeordnet sind.
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In der Endfläche in der Axialrichtung des Verwirblers 13, die zu dem Ventilsitz 11 gerichtet ist, d. h. der ersten Endfläche 16, sind eine innere Ringnut 24 mit einer vorbestimmten Breite, die an einem Innenrand an die mittlere Öffnung 15 in der ersten Endfläche 16 anliegend ausgebildet ist, und Verwirbelungsnuten 25 ausgebildet, die jeweils ein Ende, das an einen der Strömungsdurchgangsabschnitte 19b des Außenumfangs 19 angeschlossen ist, und ein anderes Ende aufweisen, das sich nach innen in einer im wesentlichen radialen Richtung erstreckt und in einer Tangentialrichtung an die innere Ringnut 24 angeschlossen ist.
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Die Betriebsweise des genannten Kraftstoffeinspritzventils wird nun beschrieben.
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Gemäß 1 wird, wenn ein elektrischer Strom von der Außenseite durch den Anschlußkontakt 56 zu der Spule 51 des Solenoids 50 zugeführt wird, ein magnetischer Fluß in einem Magnetkreis erzeugt, der durch den beweglichen Anker 31, den Kern 53 und das Gehäuse 2 gebildet wird, wodurch der bewegliche Anker 31 an den Kern 53 gegen die Federkraft der Feder 55 angezogen wird. Dann wird das Nadelventil 12, das fest mit dem beweglichen Anker 31 verbunden ist, gemäß der Zeichnung mit einem vorbestimmten Hub nach rechts bewegt, bis der Nadelflansch 12b des Nadelventils 12 in Berührung mit dem Abstandshalter 32 kommt. Das Nadelventil 12 wird durch den Innenumfang des hohlen Ventilkörpers 9 mittels der Führung 12a geführt und abgestützt.
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In den 2 und 3 wird, wenn der vordere Endabschnitt des Nadelventils 12 von dem Ventilsitz 11 derart getrennt wird, daß ein Zwischenraum ausgebildet wird, unter Hochdruck stehender Kraftstoff durch die Kraftstoffzuführröhre 4 von einem Raum zwischen dem hohlen Ventilkörper 9 und dem Nadelventil 12 durch die Nut 21 in die zweite Endfläche 17 des Verwirblers 13 zu den sich axial erstreckenden Kraftstoffströmungsdurchgängen 22 zugeführt, die zwischen den Außenumfangsflächenabschnitten 19b und dem Innenumfang des hohlen Ventilkörpers 9 ausgebildet sind. Dann wird der Kraftstoff in der Radialrichtung der Verwirbelungsnuten 25 nach innen in der ersten Endfläche 16 des Verwirblers 13 geführt. Dann wird der Kraftstoff in der ersten Endfläche 16 in einer tangentialen Richtung in die innere Ringnut 24 geführt, so daß ein Wirbelstrom ausgebildet wird. Der Wirbelstrom tritt in die Einspritzdüse 10 des Ventilsitzes 11 derart ein, daß er durch den Auslaß an dem vorderen Ende der Düse gesprüht wird.
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Eine modifizierte Ausführungsform der grundlegenden Konstruktion der obengenannten Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.
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Bei dem oben beschriebenen zylinderartigen Kraftstoffeinspritzventil 1 ist es, wenn die Anzahl der Verwirbelungsnuten 25 des Verwirblers 13 zu gering ist, schwierig, Wirbelströme von den Verwirbelungsnuten 25 gleichmäßig zu mischen und eine hinreichende Stärke in den Wirbelströmen auszubilden. Andererseits werden, wenn die Anzahl zu groß ist, Verwirbelungen in den Wirbelströmen verursacht, und ein Druckverlust kann die Strömungseigenschaften beeinflussen. Demzufolge ist eine Anzahl von vier bis acht Verwirbelungsnuten angemessen. Insbesondere wird, wie gezeigt in 4, eine Anzahl von sechs Verwirbelungsnuten bevorzugt. Wenn die Anzahl geringer ist als vier, besteht die Möglichkeit, daß die gleichmäßige Mischung der Wirbelströme nicht hinreichend ist. Andererseits ergibt sich, wenn die Anzahl größer als acht ist, ein möglicher Druckverlust in einer jeder der Nuten, und der Druckverlust in einem Durchgang an einer stromaufwärtigen Seite beeinflußt die Strömungseigenschaften.
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Wie gezeigt in 4a, befindet sich eine jede der Verwirbelungsnuten 25 an einer um einen vorbestimmten Abstand zu der Mittelachse eines Ventilschafts versetzten (einer exzentrischen) Stelle, so daß eine Seitenfläche einer jeden der Verwirbelungsnuten 25, die von dem Ventilschaft entfernter liegt, an den Außenumfang der inneren Ringnut 24 in einer tangentialen Richtung angrenzt. Ferner sind gegenüberliegende Seitenflächen einer jeden der Verwirbelungsnuten 25 parallel zueinander, wodurch Kraftstoff, der von den Verwirbelungsnuten strömt, gleichmäßig bei einer hohen Geschwindigkeit in die innere Ringnut 24 in tangentialer Richtung eingeführt wird. In diesem Fall besteht kein Problem dahingehend, daß mehrere Kraftstoffströme von den Verwirbelungsnuten 25 aufeinanderstoßen, oder daß ein neu hinzugefügter Kraftstoffstrom auf einen bereits ausgebildeten Kraftstoffstrom stößt, wodurch der Kraftstoff gleichmäßig strömt, und ein großer Druckverlust infolge des Aufeinanderstoßens oder von Verwirbelungen nicht stattfindet.
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Bei einer weitermodifizierten Ausführungsform ist die Tiefe (d) der Verwirbelungsnuten 25 derart ausgebildet, daß sie der Tiefe (d) der inneren Ringnut 24 gleich ist. Wenn die Tiefe der Verwirbelungsnuten 25 größer ist als die Tiefe der inneren Ringnut 24, ist ein gestufter Abschnitt an dem Verbindungsabschnitt ausgebildet, und es tritt eine Verwirbelung in einem Kraftstoffstrom auf, und der Kraftstoff wird nicht gleichmäßig in die innere Ringnut 24 eingeführt. Andererseits tritt, wenn die Tiefe der Verwirbelungsnuten 25 geringer als die Tiefe der Ringnut 24 ist, ein starker Wirbel oder Strudel in einem Kraftstoffstrom in der Ringnut 24 auf, wodurch die Ausbildung eines gleichmäßigen Wirbelstromes verhindert wird.
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Ferner weist, wie in 4a gezeigt ist, der äußere Umfang des Verwirblers 13 vorzugsweise flache Flächenabschnitte auf, die sechs Seiten einer im wesentlichen regelmäßigen vieleckigen Form bilden. Insbesondere weist der Außenumfang des Verwirblers 13 sechs Strömungsdurchgangsabschnitte 19b derart auf, daß sich axial erstreckende Strömungsdurchgänge 22 von Kraftstoff dem Innenumfang 16 des hohlen Ventilkörpers 9 zugeordnet sind, und sechs äußere Umfangsflächenabschnitte 19a ausgebildet werden, die jeweils eine Form aufweisen, die durch Schneiden einer jeden der sechs Ecken einer regelmäßigen Sechseckform in eine Bogenform ausgebildet werden, wobei die Außenumfangsflächenabschnitte 19a in Berührung mit dem Innenumfang 18 des hohlen Ventilkörpers 9 sind, so daß die Stellung des Verwirblers 13 bezüglich des hohlen Ventilkörpers 9 reguliert wird.
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Ferner sind die Verwirbelungsnuten 25 mit im wesentlichen gleichen Abständen ausgebildet, wobei die Verwirbelungsnuten 25 jeweils ein Ende aufweisen, das mit dem mittleren Abschnitt eines Strömungsdurchgangsabschnitts 19b in Verbindung steht, der einer der sechs Seiten einer regelmäßigen Sechseckform entspricht, und wobei das andere Ende mit der inneren Ringnut 24 verbunden ist, die an einem Innenumfang der mittleren Öffnung 15 in einer tangentialen Richtung ausgebildet ist.
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Wie oben beschrieben, werden, da der Verwirbler 13 den Außenumfang mit einer im wesentlichen sechseckigen Form aufweist, wobei die Verwirbelungsnuten 25 mit im wesentlichen gleichen Abständen in dem sechseckigen Verwirbler 13 ausgebildet sind und jeweils ein Ende, das mit dem mittleren Abschnitt eines Strömungsdurchgangsabschnitts 19b in Verbindung steht, der einer Seite der sechs Seiten entspricht, und ein anderes Ende aufweisen, das mit der inneren Ringnut 24 in einer Tangentialrichtung verbunden ist, Kraftstoffströme gleichmäßig mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Strömungsrate eingeführt und einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit durch sechs Verwirbelungsnuten 25 eingeführt und können gleichmäßige und gleichmäßig gemischte Wirbelströme in einer Wirbelkammer ausbilden, die durch die innere Ringnut 24 gebildet wird.
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Bei der oben beschriebenen modifizierten Ausführungsform wurde der Aufbau beschrieben, bei dem der Außenumfang des Verwirblers 13 in eine im wesentlichen sechseckige Form geformt ist, und ein jeder der Strömungsdurchgangsabschnitte 19b in dem Außenumfang des Verwirblers 13 gemäß einer Seite von sechs Seiten einer regelmäßigen Sechseckform ausgeführt ist. Jedoch können die Strömungsdurchgangsabschnitte 19b ein wenig nach außen in einer Außenumfangsrichtung ausgebaucht sein, oder ein wenig in einer Innenumfangsrichtung ausgenommen sein.
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Eine weitere Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
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5a ist ein Diagramm einer vertikalen Schnittansicht von unter Hochdruck gesetztem Kraftstoff, der in einen Motorzylinder durch Öffnung des Ventilkörpers 12 eingespritzt wird, und 5b ist eine Graphik, welche die Beziehung einer Strömungsrate des Kraftstoffs zu einem Winkel bezüglich der Mittellinie des Kraftstoffeinspritzventils zeigt.
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Wie 5a zeigt, die eine vertikale Schnittansicht von eingespritztem Kraftstoff bei Umgebungsdruck darstellt, besteht die Form des eingespritzten Kraftstoffs aus einem mittleren Sprühnebel oder Strahl, in dem Kraftstoff im wesentlichen geradeaus oder linear von der Kraftstoffeinspritzdüse 10 eingespritzt wird, und einem kegelartigen Sprühnebel, in dem Kraftstoff mit einem vorbestimmten Winkel bezüglich der axialen Linie der Kraftstoffeinspritzdüse 10 eingespritzt wird.
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In dem mittleren Strahl des Kraftstoffs wird Kraftstoff, der in und um die innere Ringnut 24 des Verwirblers 13 bleibt, durch die Kraftstoffeinspritzdüse 10 durch eine Druckkraft von unter Hochdruck gesetztem Kraftstoff an einer stromaufwärtigen Seite eingespritzt, sobald das Nadelventil 12 von dem Ventilsitz 17 getrennt wird (d. h. das Ventil geöffnet wird). Da dem Kraftstoffstrom infolge der Tatsache, daß der Kraftstoff in und um die innere Ringnut 23 bleibt, keine Verwirbelungsenergie vermittelt wird, wird der Kraftstoffstrom im wesentlichen gerade nach vorne oder linear eingespritzt. Unmittelbar nachdem der Kraftstoff, der in und um die innere Ringnut 24 bleibt, eingespritzt wurde, wird Kraftstoff an einer stromaufwärtigen Seite über die Verwirbelungsnuten 25 in die innere Ringnut 24 eingeführt, wobei den Kraftstoffströmen währenddessen eine Verwirbelungsenergie aufgeprägt wird, wodurch Kraftstoff in einer kegelartigen Form mit einem vorbestimmten Winkel von der Kraftstoffeinspritzdüse 10 eingespritzt wird.
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Der Kraftstoff in dem mittleren Strahl trägt zu der Verbrennung infolge der Zündung an einer Zündkerze bei. Jedoch sollte die Menge des Kraftstoffs in dem mittleren Strahl für die Anforderungen möglichst gering sein. Wenn eine Kraftstoffmenge in dem mittleren Strahl zu hoch ist, tritt ein Verbrennungsrest auf, wodurch toxische Stoffe mit dem Abgas in die Atmosphäre abgelassen werden.
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Bei dieser Ausführungsform kann die Menge von Kraftstoff in dem mittleren Strahl auf einen bestimmten Wert gesteuert werden. Wie 4c zeigt, ist die Kraftstoffmenge in dem mittleren Strahl die Summe eines Volumens V1 in der inneren Ringnut 24, mit anderen Worten ein Volumen einer Wirbelkammer, und Volumens V2 eines Bereichs an der stromabwärtigen Seite der inneren Ringnut 24, die einen Sitzabschnitt erreicht, an dem das Nadelventil 12 in Berührung mit dem Ventilsitz 11 gebracht wird. Volumen V2 ist durch einen schraffierten Abschnitt angedeutet. Die Kraftstoffmenge in dem mittleren Strahl V wird durch V = V1 + V2 (1) ausgedrückt. Ferner kann das Volumen der inneren Ringnut V1 durch: V1 = π{D22 – D12}/4 × d (2) ausgedrückt werden, wobei D1 den Durchmesser des Nadelventils 12 darstellt, D2 den Außendurchmesser der inneren Ringnut darstellt, und d die Tiefe der inneren Ringnut bezeichnet.
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Das Volumen V1 ist größer ausgeführt als das Volumen V2. Ferner sind die Formen und Abmessungen der inneren Ringnut 24, des Nadelventils 12 und des Ventilsitzes 11 derart bestimmt, daß die Summe der Volumina V1 und V2 für eine vorbestimmte Kraftstoffmenge in dem mittleren Strahl sorgt.
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Somit wird durch die Bestimmung der Formen und der Abmessungen der inneren Ringnut 24, des Nadelventils 12 und des Ventilsitzes 11, so daß die optimale Kraftstoffmenge in dem mittleren Strahl vorher eingestellt wird, verhindert, daß eine unnötige Kraftstoffmenge eingespritzt wird, und es wird verhindert, daß giftige Stoffe abgelassen werden.
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Eine Kraftstoffmenge in dem mittleren Strahl sollte so klein wie möglich sein. Um diese Anordnung zu erfüllen, ist es erforderlich, das Volumen der inneren Ringnut 24 klein auszubilden. Da eine Begrenzung bei der Verringerung des Durchmessers der inneren Ringnut 24 besteht, sollte die Tiefe d der Nut 24 verringert werden. Dafür sollte die Tiefe der Verwirbelungsnuten 25 verringert werden. Um jedoch eine hinreichende Menge von Wirbelströmen aufrechtzuerhalten, ist es erforderlich, die Breite W der Verwirbelungsnuten 25 zu vergrößern.
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Um die Breite W der Verwirbelungsnuten 25 so groß wie möglich auszubilden, wird die Breite W in Verbindung mit der Länge des Außenumfangs der inneren Ringnut 24 genau angegeben. Es sind nämlich die Verwirbelungsnuten 25, die bezüglich des Ventilschafts des Nadelventils in einer Ebene senkrecht zu dem Ventilschaft versetzt (exzentrisch) sind, so ausgebildet, daß eine Seitenfläche der Ringnuten, die von der mittleren Achse des Ventilschafts entfernter liegt, derart ausgedehnt wird, daß sie in einer tangentialen Richtung an den Außenumfang der inneren Ringnut 24 angrenzt, und die Gesamtlänge der Außenumfangsabschnitte (Bögenabschnitte) der inneren Ringnut 24, die geometrisch verbleiben (die Außenumfangsabschnitte sind in 4a durch dicke Linien eingezeichnet) ein Fünftel (1/5) oder weniger der Länge des Außenumfangs der inneren Ringnut 24 in dem Fall, daß die innere Ringnut 24 die ursprüngliche kreisförmige Form annimmt (der Außenumfang ist in 4a durch dicke Linienabschnitte und gepunktete Abschnitte angedeutet).
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Eine weitere Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Bei dieser Ausführungsform ist die Form der Kraftstoffeinspritzdüse 10 so beschrieben, daß eine stabile Verwirbelungskraft für den einzuspritzenden Kraftstoff erhalten wird, und eine Kohleablagerung verhindert wird.
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Wie in 4b gezeigt ist, ist das Verhältnis (L/D) der Länge L der Kraftstoffeinspritzdüse 10 und des Durchmessers (D) derselben derart bestimmt, daß es 1,0–2,0 beträgt.
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Wenn L/D zu klein ist, verliert eine Verwirbelungskraft in der Kraftstoffeinspritzdüse 10 Stabilität, wodurch ein Muster des ausgesprühten Kraftstoffs und dessen Verteilung groß wird.
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Obwohl eine Zerstreuung bei einem Muster des vernebelten Kraftstoffs klein wird, wenn L/D größer ist, wird ein Flächenbereich vergrößert, an dem sich Kohle oder Kohlenstoff, der in der Verbrennung entsteht, ablagert. Ferner wird die Wärmekapazität des Ventilsitzes 11 ebenso vergrößert, so daß die Wärme erhalten wird, wodurch die Menge von Kohlenstoffablagerung vergrößert wird.
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Eine weitere Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
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Wie 6 zeigt, wird dem Kraftstoff eine Verwirbelungskraft mittels eines Verwirblers 13 aufgeprägt, und Kraftstoff wird als Wirbelströme durch die Kraftstoffeinspritzdüse 10 eingespritzt. Ein Kraftstoffstrom 100 bildet ein Sprühmuster mit einem Hohlraum in der Kraftstoffeinspritzdüse 10 aus. Ein wirksamer Bereich der Einspritzdüse, durch den der Kraftstoffstrom hindurchtritt, ist kleiner als der tatsächliche Flächenbereich der Einspritzdüse 10. Demzufolge wird, um ein Kraftstoffeinspritzmuster mit einem Hohlraum aufrechtzuerhalten und stabile Wirbelströme des Kraftstoffs bei dieser Ausführungsform zu erhalten, ein Flächenbereich S2 der Einspritzdüse 10 derart ausgebildet, daß er größer ist als ein Flächenbereich S1 eines Strömungsdurchgangs an dem Sitzabschnitt 110, zu dem Zeitpunkt, wenn das Nadelventil 12 um den maximalen Abstand von Ventilsitz 11 angehoben wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei dem eine innere Ringnut in einem Verwirbler an einem Innenumfang der Endfläche des Verwirblers, die zu einem Ventilsitz gerichtet ist, ausgebildet ist, und Verwirbelungsnuten jeweils ein Ende aufweisen, das mit einem der Strömungsdurchgangsabschnitte verbunden ist, und ein anderes Ende aufweisen, das sich in einer tangentialen Richtung zu der inneren Ringnut für einen Anschluß mit dieser erstrecken, kann ein bevorzugtes Muster eines Kraftstoffnebels erhalten werden, der aus einem mittleren Strahlabschnitt und einem kegelartigen Strahlabschnitt mit einem vorbestimmten Winkel bezüglich einer Kraftstoffeinspritzdüse besteht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei der zusätzlich zu den obengenannten Merkmalen die Anzahl der Verwirbelungsnuten zwischen vier und acht liegt, können Wirbelströme von den Verwirbelungsnuten gleichmäßig vermischt werden. Ferner besteht keine Gefahr von Störungen des Wirbelstroms und eines Druckverlustes. Ferner, wenn die Tiefe der Ringnut im wesentlichen gleich zu der Tiefe der Verwirbelungsnuten ausgebildet wird, kann einzuspritzender Kraftstoff gleichmäßig von den Verwirbelungsnuten zu der Ringnut eingeführt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, bei dem die Anzahl der Außenumfangsflächenabschnitte, der Strömungsdurchgangsabschnitte und der Verwirbelungsnuten des Verwirblers sechs beträgt, können die Wirbelströme noch gleichmäßiger gemischt werden, und eine hinreichende Stärke der Wirbelströme kann ausgebildet werden, ohne daß Störungen in den Wirbelströmen und ein Druckverlust entsteht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, bei der eine jede der Verwirbelungsnuten um einen vorbestimmten Abstand zu der Mittenachse des Ventilschafts exzentrisch ist, so daß eine Seitenfläche der Verwirbelungsnuten, die von der Mittenachse des Ventilschafts entfernter liegt, sich in einer tangentialen Richtung des Außenumfangs der Ringnut derart erstreckt, daß sie an den Außenumfang angrenzt, und bei der in diesem Fall insbesondere die gegenüberliegenden Seitenflächen einer jeden Verwirbelungsnut parallel zueinander sind, kann Kraftstoff gleichmäßig bei einer hohen Geschwindigkeit von den Verwirbelungsnuten zu der Ringnut in einer tangentialen Richtung eingeführt werden, wodurch keine Gefahr besteht, daß Kraftstoffströme aufeinanderstoßen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, bei der ein jeder von Strömungsdurchgangsabschnitten, der einen Strömungsdurchgang in der Axialrichtung ausbildet, der zwischen aneinanderliegenden Außenumfangsflächenabschnitten in Berührung mit dem Innenumfang des hohlen Ventilkörpers ausgebildet ist, eine jeweilige Seite einer regelmäßigen Vieleckform ausbildet, und die Verwirbelungsnuten mit im wesentlichen gleichen Abständen ausgebildet sind, so daß sie von den Strömungsdurchgangsabschnitten zu der Ringnut in einer tangentialen Richtung ausgedehnt sind, können Kraftstoffströme durch die Verwirbelungsnuten zu der Ringnut mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Strömungsrate und einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit eingeführt werden, wodurch ein gleichmäßig vermischter Wirbelstrom ausgebildet werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Formen der Ringnut, des Ventils und des Ventilsitzes derart bestimmt, daß durch die Summe eines Volumens der Ringnut und eines Volumens eines Bereichs an einer stromabwärtigen Seite der Ringnut, an der ein Sitzabschnitt erreicht wird, an dem das Ventil in Berührung mit dem Ventilsitz gebracht wird, eine gewünschte Menge von Kraftstoff in dem mittleren Strahl vorgesehen wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, bei dem das Volumen der Ringnut größer ist als das Volumen des Bereichs an einer stromabwärtigen Seite der Ringnut, an der ein Sitzabschnitt erreicht wird, an dem das Ventil in Berührung mit dem Ventilsitz gebracht wird, können die Formen der Ringnut, des Ventils und des Ventilsitzes in einfacher Weise bestimmt werden, und eine Kraftstoffmenge in dem mittleren Strahl kann gesteuert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Seitenfläche der Verwirbelungsnuten, die von der Mittelachse des Ventilschafts entfernter liegt, in einer tangentialen Richtung des Außenumfangs der Ringnut ausgedehnt, und die gesamte Länge von Bogenabschnitten der Ringnut beträgt in dem Fall, daß die Ringnut die ursprüngliche kreisförmige Form annimmt, 1/5 oder weniger der Länge des Außenumfangs der Ringnut.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, bei dem ein Verhältnis (L/D) der Länge (L) zu dem Durchmesser (D) der Einspritzdüse 1,0–2,0 beträgt, wird eine stabile Wirbelkraft auf den einzuspritzenden Kraftstoff aufgeprägt, und eine Kohlenstoffablagerung kann verhindert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, bei dem der Flächenbereich der Einspritzdüse größer ist als der maximale Flächenbereich einer Öffnung eines Sitzabschnitts, an dem das Ventil in Berührung mit dem Ventilsitz gebracht wird, wird ein Einspritzmuster des Kraftstoffs mit einem Hohlraum in der Einspritzdüse ausgebildet, und ein gleichmäßiger und stabiler Wirbelstrom kann durch die Einspritzdüse eingespritzt werden.
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Es versteht sich, daß die Erfindung innerhalb der in den Ansprüchen festgelegten Lehre variiert werden kann und nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
