DE19728816A1 - Vorrichtung zur luftunterstützten Kraftstoffeinspritzung in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur luftunterstützten Kraftstoffeinspritzung in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruches.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 44 22 331 A1 bekannt. Dem Einspritzventil für die Saugrohreinspritzung einer Brennkraftmaschine ist dabei eine Mischkammer austrittsseitig nachgeschaltet, in die mehrere radial ausgerichtete Luftkanäle einmünden. Durch die über die Luftkanäle dem austretenden Kraftstoffstrahl zugeführte Luft soll eine bessere Zerstäubung des Kraftstoffes im Kraftstoff-Luft-Gemisch erreicht werden. Die Luftzufuhr in die Gemischkammer erfolgt dabei in Achsrichtung des Einspritzventils gesehen in unmittelbarer Nähe bzw. mit sehr geringem Abstand zur Austrittsöffnung der Einspritzdüse. Die Mischkammer ist darüber hinaus sehr kurz ausgebildet und hat an ihrem austrittsseitigen Ende einen trichterartigen Bereich mit relativ geringem Durchmesser, an den sich ein zylindrischer Austrittsabschnitt anschließt. Durch diese Ausbildung der Austrittsöffnung soll eine Beschleunigung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erreicht werden. Aufgrund dieser Ausbildung des Mischkammeraustritts wird jedoch eine definierte Strahlausbildung des Einspritzstrahls, der durch die Einspritzdüsenkontur vorgegeben wird, gestört.

Aus der EP 0 515 810 A1 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Einspritzung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches bekannt, bei der am austrittsseitigen Ende der Einspritzdüse eine Lochplatte ausgebildet ist. Dieser Lochplatte ist eine etwa topfförmig ausgebildete Gasumfassungshülse nachgeschaltet, über die dem austretenden Kraftstoffstrahl Luft zugeführt wird. Die Luftzufuhr erfolgt dabei direkt hinter der Lochplatte, so daß eine definierte Strahlausbildung des Einspritzstrahls nicht möglich ist bzw. gestört wird. Der austretende Kraftstoffstrahl wird durch die in unmittelbarer Nähe zur Lochplatte erfolgende Luftunterstützung sehr stark verwirbelt. Eine definiert ausgebildete Mischkammer ist dabei nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur luftunterstützten Krafteinspritzung in ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine dahingehend zu verbessern, daß trotz der Luftunterstützung die Ausbildung eines definierten Kraftstoffstrahls möglich ist. Dabei soll eine gute Kraftstoff-Luft-Durchmischung mit einem möglichst geringen Luftdurchsatz erfolgen, um eine zu starke und unerwünschte (nicht definierte) Verwirbelung des Kraftstoffstrahls zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.

Dadurch, daß der Abstand der Luftkanäle zur Austrittsöffnung der Einspritzdüse mindestens 2 mm beträgt, erfolgt die Luftzufuhr erst an einer Stelle, an der der austretende Kraftstoffstrahl bereits in Form feiner Tröpfchen vorliegt. Dabei kann sich ein definiertes Strahlbild des Kraftstoffstrahls, der durch die Austrittskontur der Einspritzdüse vorgegeben ist, ausbilden. Dadurch daß weiterhin die Mischkammer mit ihrer Innenkontur so an die Außenkontur des Einspritzstrahls angepaßt ist, daß dieser die Mischkammer zumindest weitgehend ohne Wandberührung durchläuft, wird die Ausbildung einer definierten Strahlform ebenfalls unterstützt. Dazu ist die Innenkontur der Mischkammer beispielsweise an die Kegelform des vom jeweils eingesetzten Einspritzventil abhängigen Strahlkegels angepaßt.

Wird die Länge der Mischkammer in vorteilhafter Weise auf etwa 10 bis 20 mm beschränkt, kann eine definierte Durchmischung des austretenden Kraftstoffstrahls unter Beibehaltung der Strahlkontur erfolgen, bevor der luftunterstützte Kraftstoffstrahl in das Saugrohr eintritt.

Die Ausbildung eines definierten Strahlbildes bzw. Strahlkegels kann in Abhängigkeit von der Strahlkontur und dem Einspritzdruck bzw. der Einspritzmenge noch einmal verbessert werden, wenn der Abstand der Luftkanäle zur Austrittsöffnung der Einspritzdüse etwa 3 bis 5 mm beträgt.

Durch tangentiale Anordnung der Luftkanäle an der Mischkammer kann eine Luftunterstützung des Kraftstoffstrahls erreicht werden, bei der dieser im wesentlichen von der Luft umfaßt und eine undefinierte Verwirbelung im Inneren des Kraftstoffstrahls weitgehend vermieden wird. Durch diese Luftumfassung kann vor allem eine Wandfilmbildung an den Wänden des Saugrohres bzw. des Einspritzkanals vermieden werden.

Insgesamt wird mit einer derartigen Vorrichtung eine bessere Gemischbildung erreicht, bei der die Vorteile der Luftunterstützung genutzt werden, ohne daß undefinierte Verwirbelungen auftreten und die Kontur des Einspritzstrahls zerstört wird. Insgesamt läßt sich dabei die Wandfilmbildung durch flüssigen Kraftstoff verringern, gleichzeitig ergeben sich durch die Luftunterstützung spürbare Verringerungen des Kraftstoffverbrauches und der HC-Emissionen.

Die Luftzufuhr zu der Mischkammer kann dabei auf vorteilhafte Weise über eine vorhandene Sekundärluftpumpe gespeist werden. Es ist ebenfalls möglich, alternativ zur Speisung durch die Sekundärluftpumpe oder ergänzend zu dieser Versorgung, die Luftkanäle eingangsseitig mit der Sauganlage der Brennkraftmaschine vor der Drosselklappe zu verbinden.

Eine weitere Verbesserung insbesondere der Kaltlaufeigenschaften und eine Verringerung der HC-Emissionen läßt sich auf vorteilhafte Weise erreichen, wenn die Luftzufuhr in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine beheizbar ist.

Die Mischkammer mit den Luftkanälen läßt sich auf besonders vorteilhafte Weise als Einsatz ausbilden, der in die am Saugkanal ausgebildete Aufnahme für das Einspritzventil eingesetzt wird. Damit ist die Verwendung einer derartigen Vorrichtung in herkömmlichen Brennkraftmaschinen ohne großen Änderungsaufwand bzw. Fertigungsaufwand möglich.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in

Fig. 1 einen nur teilweise dargestellten Schnitt durch einen Zylinderkopf und einen Saugkanal einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Einsatzes nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Mischkammer,

Fig. 4 eine Draufsicht auf das austrittsseitige Ende der Mischkammer nach Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine und der Luftversorgung der Mischkammern und

Fig. 6 eine weitere schematische Darstellung der Luftversorgung für die Mischkammern.

Fig. 1 zeigt den nur teilweise dargestellten Querschnitt eines Zylinderkopfes 1, in dem ein Einspritzkanal 2 ausgebildet ist, der in einen Brennraum 3 mündet. An diesen Einspritzkanal 2 schließt sich ein an den Zylinderkopf 1 angeflanschtes Saugrohr 4 an, das mit einer nicht dargestellten Sauganlage verbunden ist. An diesem Saugrohr ist eine Aufnahme 5 für ein Einspritzventil 6 ausgebildet, das Kraftstoff in das Saugrohr bzw. den Einspritzkanal 2 einbringt.

In die Aufnahme 5 ist ein hohlzylindrischer Einsatz 7 eingesetzt, der sich mit einem umlaufenden Rand 8 am Boden der Aufnahme 5 abstützt. Dieser zylindrische Einsatz 7 ragt mit seinem einen Ende bis in das Saugrohr hinein. Am gegenüberliegenden Ende des Einsatzes liegt die Einspritzdüse 6 mit ihrem austrittsseitigen Ende an. Die Einspritzdüse 6 ragt ebenfalls in die Aufnahme 5 und wird in dieser geführt und abgedichtet gehalten. Das dem Einspritzventil zugewandte Ende des Einsatzes 7 hat ebenfalls einen umlaufenden Rand 9, der - wie der umlaufende Rand 8 - an der beispielsweise zylindrisch ausgebildeten Innenwand der Aufnahme 5 anliegt. Durch die Innenwand 10 und den Einsatz 7 wird zwischen den beiden umlaufenden Rändern 8 und 9 ein Ringraum 11 ausgebildet, in den ein Kanal 12 mündet. Dieser Kanal 12 steht über zwei gegenüberliegende und etwa radial verlaufende Luftkanäle 13 mit dem Innenraum 14 des Einsatzes 7 in Verbindung. Es ist auch ohne weiteres möglich, mehr als zwei Luftkanäle über den Umfang verteilt anzuordnen. Die Luftkanäle 13 sind in der Wand des Einsatzes zwischen den beiden umlaufenden Rändern 8 und 9 ausgebildet. Der Innenraum 14 dient als Mischkammer für den aus dem Einspritzventil 6 austretenden Kraftstoffstrahl und die über den Kanal 12 und die Luftkanäle 13 zugeführte Zusatzluft. Diese Mischkammer 14 (Innenraum) hat einen ersten, dem Einspritzventil zugewandten zylindrischen Abschnitt 15, an den sich ein austrittsseitiger konischer Abschnitt 16 anschließt, dessen Durchmesser zum Austritt hin zunimmt. Die Abmessungen der Mischkammer bzw. des zylindrischen Abschnittes 15 und des konischen Abschnittes 16 sind so gewählt, daß sie den aus dem Einspritzventil austretenden Kraftstoffstrahl 17 mit geringem Abstand umfassen, ohne daß der beispielsweise in Kegelform vorliegende Einspritzstrahl an die Wand der Mischkammer trifft. Der Abstand der Luftkanäle 13 vom austrittsseitigen Ende des Einspritzventils 6 bzw. der Einspritzdüse beträgt in diesem Ausführungsbeispiel, in Achsrichtung des Einspritzventils betrachtet, etwa 4 mm. Dieser Abstand sollte aber auf jeden Fall mindestens 2 mm betragen. Die Mischkammer hat in diesem Ausführungsbeispiel, bei Verwendung eines Einspritzventils bzw. einer Einspritzdüse mit einem kegelförmigen Kraftstoffstrahl 17, eine rotationssymmetrische Mischkammer 14. Die Länge der Mischkammer beträgt etwa 20 mm. Der zylindrische Abschnitt 15 reicht dabei bis etwa in den Bereich der Luftkanäle. Sein Durchmesser ist so gewählt, daß der Kraftstoffstrahl diesen Abschnitt ohne Wandberührung durchdringt. Der sich daran anschließende konische Abschnitt 16 hat einen Konuswinkel, der dem Kegelwinkel des Kraftstoffstrahls 17 entspricht.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Abwandlung der Mischkammer dargestellt, die insbesondere für die Verwendung von zweistrahligen Einspritzventilen geeignet ist. Dabei hat die Mischkammer 18 ebenfalls einen ersten zylindrischen Abschnitt 19, der dem Einspritzventil 6 zugewandt ist. An diesen zylindrischen Abschnitt 19 schließen sich zwei ineinander übergehende konische Abschnitte 20 und 21 an, die sich zum austrittsseitigen Ende der Mischkammer erweitern und an die Winkellage des jeweiligen Einspritzstrahls der Einspritzdüse 6 angepaßt verlaufen. Am Ende der Mischkammer 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Sieb 22 angeordnet, mit dem die Zerstäubung des Kraftstoffstrahls noch einmal unterstützt wird.

Die Innenkontur der Mischkammern 14 und 18 ist hier nur beispielhaft und wird im jeweiligen Einsatzfall an die vorgegebene, definierte Strahlkontur des Kraftstoffstrahls angepaßt. Dabei können insbesondere Einspritzventile mit kegeligem, flachkegeligem oder mehrstrahligem Einspritzstrahl verwendet werden, wobei die Innenkontur der Mischkammer entsprechend angeglichen wird. Es ist im Gegensatz zu den hier dargestellten Ausführungsbeispielen der Mischkammern auch möglich, diese über ihre gesamte Länge kreis- oder ovalzylindrisch auszubilden, dabei wird dann dieser Durchmesser des Zylinders so gewählt, daß dieser größer gleich dem Durchmesser bzw. den Abmessungen des Kraftstoffstrahls am austrittsseitigen Ende der Mischkammer ist.

In Fig. 5 ist eine mögliche Ausführungsform der Luftversorgung für die Luftkanäle am Beispiel eines Sechszylinder-Boxer-Motors dargestellt. Die Säugrohre 4 sind dabei je Zylinderreihe mit einem Resonanzbehälter 23 bzw. 24 verbunden, die wiederum über ein Resonanzrohr 25 miteinander verbunden sind. Dieses Resonanzrohr ist über eine an sich bekannte Drosselklappe 26 und ein Ansaugrohr 27 mit einem Luftfilter 28 verbunden. Die an den Saugrohren jeweils einer Zylinderreihe angeordneten Kanäle 12 sind mit jeweils einer Verbindungsleitung 29 bzw. 30 verbunden, die zu einem elektrisch beheizbaren Wärmetauscher führen. Dieser Wärmetauscher 31 ist wiederum über eine Anschlußleitung 32 mit dem Ansaugrohr 27 verbunden. Dabei liegt der Eintritt der Anschlußleitung 32 in das Ansaugrohr 27 in Strömungsrichtung der angesaugten Luft vor der Drosselklappe 26.

Durch den Druckunterschied vor der Drosselklappe und nach der Einspritzdüse, vor allem beim Betrieb der Brennkraftmaschine im Leerlauf bzw. bei Teillast, strömt Luft über die Anschlußleitung 32, die Verbindungsleitungen 29 und 30 und die Kanäle 12 in die Luftkanäle 13 und somit die Mischkammer 14. Somit kann während der Kraftstoffeinspritzung eine Luftanreicherung bzw. Luftdurchmischung erfolgen.

Durch den Wärmetauscher 31, der wie zuvor beschrieben, elektrisch beheizt ist, der jedoch auch beispielsweise als Abgaswärmetauscher oder Heizungswärmetauscher ausgebildet sein kann, ist eine Vorwärmung der in die Mischkammer einströmenden Luft möglich. Diese Beheizung der zugeführten Luft ist insbesondere bei der Ausführung eines elektrisch beheizten Wärmetauschers schaltbar und wird vor allem beim Kaltstart der Brennkraftmaschine eingeschaltet, um die in die Mischkammer einzubringende Luft auf Temperaturen von etwa 100°C oder mehr vorzuheizen. Durch diese Aufheizung wird insbesondere beim Kaltstart die Kraftstoffverdampfung gefördert.

In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Luftversorgung der Luftkanäle bzw. Mischkammern beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsleitungen 29 und 30 zu den Kanälen 12 über die Anschlußleitung 32 mit dem Ansaugrohr 27 verbunden. In der Anschlußleitung 32 ist zusätzlich zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Rückschlagventil 33 angeordnet. Weiterhin sind in diesem Ausführungsbeispiel die Verbindungsleitungen 29 und 30 bzw. der Wärmetauscher 31 über eine von der Anschlußleitung 32 abzweigende Zweigleitung 34 mit einer Sekundärluftleitung 35 verbunden. Diese Sekundärluftleitung 35 verbindet auf an sich bekannte Weise eine Sekundärluftpumpe 36 über ein Zuschaltventil 37 mit nicht näher dargestellten Sekundärluftbohrungen 38. Zwischen den Sekundärluftbohrungen 38 und der Zweigleitung 34 ist ebenfalls ein Rückschlagventil 39 angeordnet. Nach dem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine erfolgt - bei üblicherweise zugeschalteter Sekundärluftpumpe 36 - die Versorgung der Mischkammer über diese Sekundärluftpumpe, wobei das Rückschlagventil 33 in der Anschlußleitung 32 geschlossen ist. Bei Erreichen der Betriebstemperatur bzw. nach Abschalten der Sekundärluftpumpe wird bei sich schließendem Rückschlagventil 39 das Rückschlagventil 33 geöffnet und die Mischkammer aufgrund des Druckunterschiedes zum Ansaugrohr 27 mit Umgebungsdruck beaufschlagt.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur luftunterstützten Kraftstoffeinspritzung in ein Saugrohr (4) einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzventil (6) zur Erzeugung eines Kraftstoffstrahls (17) mit einer zumindest über den austrittsnahen Bereich definierten Strahlkontur und mit einer dem Einspritzventil nachgeschalteten Mischkammer (14, 18), die eingangsseitig zum Einspritzventil geöffnet ist und ausgangsseitig in das Saugrohr mündet, und mit in die Mischkammer einmündenden Luftkanälen (13), dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Luftkanäle zur Austrittsöffnung der Einspritzdüse mindestens 2 mm beträgt, und daß die Mischkammer mit ihrer Innenkontur so an die Außenkontur des Kraftstoffstrahls angepaßt ist, daß dieser ohne Beeinflussung der Strahlkontur umfaßt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Mischkammer (14, 18) etwa 10 mm bis 20 mm beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Luftkanäle (13) zur Austrittsöffnung des Einspritzventils (6) etwa 3 mm bis 5 mm beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkanäle (13) etwa tangential angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkanäle (13) etwa radial angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur der Mischkammer (14, 18) sich von den Luftkanälen (13) ausgehend stetig erweitert.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur der Mischkammer (14, 18) etwa zylindrisch ausgebildet ist, wobei der Innendurchmesser zumindest annähernd dem Außendurchmesser des Kraftstoffstrahls (bei freiem Austritt) am austrittsseitigen Ende der Mischkammer entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur der Mischkammer so ausgebildet ist, daß der Abstand zur Außenkontur des Einspritzstrahls (bezogen auf freies Einspritzen) kleiner als 0,5 mm ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mischkammer (14, 18) ausgangsseitig ein Sieb (22) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhr zu den Luftkanälen (13) von einer Sekundärluftpumpe (36) gespeist wird.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkanäle (13) eingangsseitig mit dem Ansaugrohr (27) einer Sauganlage vor der Drosselklappe (26) verbunden sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhr beheizt erfolgt.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (14, 18) als Einsatz ausgebildet ist, der in die Aufnahme (5) für das Einspritzventil (6) eingesetzt ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht.