DE2517682A1

DE2517682A1 - Einspritzventil fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2517682A1
Application number: DE19752517682
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Saeufferer; Karl Dr Rer Nat Willmann
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-04-22
Filing date: 1975-04-22
Publication date: 1976-11-04
Also published as: DE2517682C3; JPS5638789B2; DE2517682B2; FR2308798A1; FR2308798B1; US4077374A; IT1057537B; JPS51129523A; GB1519409A

Description

Daialar-Banz Atitioz.gesill*chaf t Stuttgart-Untartürkheiai

Dai» ίο 734/4 16.4.75

Einspritzventil für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft «in Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, insbesondere Niederdruck-Einspritzvantil für geaischansaugende Brennkraftmaschinen, aiit •inen durch Faderkraft entgegen dar Einapritzrichtung auf dan Ventilsitz vorgespannten kegelförmigen von einea Ventilschaft gehaltenenen Ventilglied, welches durch hydraulischen Druck in dar einzuspritzenden Kraftstoffflüssigkeit in Einapritzrichtung vom Ventilsitz abhebbar ist, wobei von dar Ventilöffnung aufgrund eines kegelstumpfförmigen Ventilverschlußspaltes die Kraftstoffflüssigkeit in Fora eines Sprühkegel« abspritzbar iat.

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Dies· Ventilart ist vom Prinzip her seist als Gleichstromventil oder auch als Tellerventil bezeichnet, veil die Abheberichtung des Ventilgliedes der Durchströmrichtung gleichgerichtet ist bzw. weil der Ventilsitz «it einest von der Zulaufseite her gehaltenen Ventilteller abgedichtet wird. Die eingangs genannten Einspritzventile werden meist in Saugrohr der Brennkraftmaschine, d. h. außerhalb des Brennraumes angeordnet, so daß der Einspritzgegendruck relativ niedrig ist. Aufgrund der VersprUhung des Kraftstoffes in einen Sprühkegel wird der an Ventil austretende Kraftstoff bei höheren Kraftstoffdurchsätzen auf einen großen Rau* verteilt und dabei auch in relativ kleine Tröpfchen zerteilt. Bei höheren Kraftstoffdurchsätzen wird also mit den beispielsweise im Saugrohr angeordneten und meist kontinuierlich abspritzenden Einspritzventilen ein brauchbares Luft/Kraftstoffgemisch erzielt. Bei kleinen im geringen Teillastgebiet oder im Leerlauf der Brennkraftmaschine auftretenden Durchsätzen läßt die erzielbare Gemischqualität jedoch sehr zu wünschen übrig, da die Kraftstoffflüssigkeit hier nicht in einem geschlossenen sich rasch in viele Einzeltröpfchen auflösenden Sprühkegel, sondern vielmehr in einzelnen aufgrund von Bearbeitvnga-Qder sonstigen Rauhigkeiten der Ventilverschlußflächen sich ergebenden Strahlen abspritzt, die entlang des gedachten Mantel« des Sprühkegels oder zumindest in dessen Nähe verlaufen. Im Gegensatz zu einem kegelförmig sich ausbreitenden Flüssigkeitsfilm, der aus Kontinuitätsgründen immer dünner werden und demgemäß in einzelne Tröpfchen zerfallen muß, kann ein einzelner Strahl sich wesentlich länger sta-

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bil halten, bevor er in Tröpfchen zerfällt. Die Folge iet, daß bei kleiinen Flüssigkeitsdurchsätzen durch die eingangs genannten Einspritzventil« hindurch der Anteil der Wandbenetzung und der Anteil der großen Tropfen viel größer ist als bei großen Durchsätzen. Um also einen ruhigen betriebssicheren Lauf der Brennkraftmaschine zu erzielen, ■uß also bei Leerlauf und bei niedrigen Teillasten das Gemisch überfettet werden, um sicherzustellen, daß bei jedem Arbeitstakt in jedem Arbeitszylinder die für diesen Betriebszustand erforderliche Mindestmenge an zündfähigen Luft/Kraftstoffgemisch zur Verfügung steht. Die an der Wand haftenden in den Brennraum mitgerissenen Kraftstoffteile gehen unverbrannt oder unvollkommen verbrannt durch den Auspuff ins Freie und stellen eine Umweltbelästigting dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs genannte Einspritzventil im Hinblick auf ein besseres Sprühverhalten bei kleinen Durchsätzen zu verbessern. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Ventilsitz am Ende eines vom Ventilgehäuse abragenden elektrisch leitenden und leitend mit dem ebenfalls elektrisch leitenden Ventilgehäuse verbundenen möglichst dünnwandigen den Ventilschaft mit Zwischenraum umschließenden Rohres - Distanzrohr - angeordnet ist, welches im Außendurchmesser wesentlich kleiner als eine charakteristische Ventilgehäuseabmessung im Bereich der Verbindungsstelle des Distanzrohres mit dem Ventilgehäuse ist und daß im Abstand

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um die Austrittsstelle des Ventiles herum eine elektrisch gegenüber den Ventilgehäuse und den Distanzrohr isolierte flächige Ringelektrode Kit einen elektrisch leitenden Anschluß angeordnet ist, deren - in Richtung der Sprühkegelachse und in Einsprit»richtung gesehen - zuvorderst liegende Stirnkante einen größeren Abstand von Ventilgehäuse aufweist als zum Distanzrohr und deren zuhinterst liegende Stirnkante außerhalb des Sprühkegels liegt und daß die Ringelektrode gegenüber den Ventilgehäuse auf ein elektrisches Potential gelegt ist*

Durch diese Maßnahmen ist die Abspritzstelle des Ventiles sowohl mechanisch als auch elektrisch an exponierter Stelle innerhalb eines elektrischen Feldes angeordnet, wobei das Distanzrohr selber als die eine Elektrode für das elektrische Feld dient. Aufgrund dieser exponierten Lage der Austrittsstelle könnt es an ihr zu einer Feldlinienverdichtung und zu einer örtlichen Feldüberhöhung· Neben der Anwendung einer grundsätzlich bekannten Versprühung von Kraftstoffflüssigkeit nit Hilfe elektrostatischer Kräfte ist diese Feldüberhöhung das Ziel der erfindungsgenäßen Maßnahnen. Un einen spürbaren elektrostatischen Versprühungseffekt zu erzielen, nuß nämlich ein sehr hoher Feldstärkegradient in unmittelbaren Bereich der Austrittsetelle der Flüssigkeit vorhanden sein. Die zwischen Elektrode und Austrittestelle anlegbare Spannung kann aber wegen der Gefahr von Spannungsüberschlägen nicht beliebig hoch gewählt werden, sondern nuß

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unterhalb der Überschlagsgrenze bleiben. Hierfür sind neben dem gewählten Elektrodenabetand vor allem die elektrische Leitfähigkeit und die elektrische Durchschlagsfestigkeit der jeweiligen Kraftstoffflüssigkeit sowie der Druck im Zerstäubungsraum maßgebend. Dank der erfindungsgemäß exponierten Anordnung der Austrittsstelle des Einspritzventiles im elektrischen Feld kann aber trotz einer sich unterhalb der Überschlagsgrenze haltenden Spannungsdifferenz zwischen Elektrode und Austrittsstelle der FeIdetärkegradient im Bereich der Austrittsstelle drastisch erhöht werden. Die Austrittestelle soll demnach auf eine möglichst kleine und möglichst stark exponiert im Feld angeordnete Stelle gelegt werden. Die Gegenelektrode soll hingegen möglichst großflächig, d. h. so ausgebildet und angeordnet sein, daß sie unter einem möglichst großen Raumwinkel - von der Austrittsstelle aus gesehen - erscheint. Die Austrittestelle soll eine möglichst große Anzahl der von der Gegenelektrode ausgehenden Feldlinien auf sich ziehen. Es ist auch zu vermeiden, daß die Gegenelektrode zu dicht an das Ventilgehäuse herangerückt wird und etwa zwischen Gegenelektrode und Ventilgehäuse Überschläge auftreten können.

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Durch die elektrostatische Versprühung der Kraftstoffflüssigkeit werden die gebildeten Teilchen zu Ladungsträgern und zwar von derjenigen Polarität, die die Austrittsstelle gegenüber der Gegenelektrode hat. Es wird daher Ton der Gegen- oder Ringelektrode eine Anziehungskraft auf die Tröpfchen ausgeübt. Um einen Wandaufprall an der Elektrode und somit eine zwangsweise Koagulation der Tröpfchen zu vermeiden, ist die Elektrode aus dem Sprühkegel ausgerückt. Der Abstand der Elektrode von Sprühkegel darf nicht zu gering sein. Die Massenkräfte der mit einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit - der Strahlgeschwindigkeit - zunächst rein hydraulisch abgespritzten Flüssigkeitspartikelchen, die dann durch elektrostatische Kräfte in Tröpfchen zerlegt werden, diese Massenkräfte der mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Richtung fliegenden Tröpfchen also, müssen gegenüber den Anziehungskräften der Elektrode überwiegen, so daß die Tröpfchen allenfalls etwas abgelenkt werden können aber nicht auf die Elektrode aufprallen.

Damit die lokale Feldstärkeüberhöhung am gesamten !Anfang der Auetrittsöffnung etwa gleich groß ist und der gesamte Umfang des Sprühkegels gleichermaßen von den elektrostatischen Kräften erfaßt wird, ist es zweckmäßig, wenn die Ringelektrode gleichachsig zur Sprühkegelachse ange- ' ordnet ist· Der gleichen Zielsetzung dient es auch, die Stirnkanten der Ringelektrode achssenkrecht zur Elektrodenachse und somit auch zur Sprühkegelachse anzuordnen.

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Ee wird· oben gesagt, di· Ringelektrode solle flächig sein; hiermit ist lediglich gemeint, daß die Elektrode im Hinblick auf ihre Bildung von größeren zusammenhängenden potentialflächen flächig also gewissermaßen elektrostatisch flächig sein soll. Ee wäre zulässig, als Elektrode z. B. ein zylindrisches Maschengeflecht oder einen schraubengangförmig gewundenen Draht zu verwenden. Mechanisch ist es aber noch einfacher, wenn die Ringelektrode als Massivelektrode z. B. als kleiner Rohrabschnitt eines Messingrohres ausgebildet ist. Die isolierte Halterung der Elektrode ist dann wegen ihrer Eigensteifigkeit viel einfacher.

Einer noch stärkeren Konzentrierung der Feldlinien auf den unmittelbaren Rand der Austrittsöffnung ist es förderlich, wenn das Distanzrohr auf der Außenseite am Ventilsitzende kegelstumpfförmig angeschärft ist. In die gleiche Richtung zielt die Maßnahme, den Rand des Ventilgliedes im Querschnitt scharfkantig auszubilden. Ferner kann auch noch die vom Ventilsitz abgewandte Seite des Ventilgliedes ausgehöhlt werden. Die von der Ringelektrode aus/einsehbare Fläche der Freiseite des Ventiltellers wird durch die Aushöhlung verringert. Dadurch werden ebenfalls Streufeldlinien von der freien Ventiltellerseite in Richtung auf den Rand des Ventiltellers abgedrängt.

Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Aueführungebeispieles im folgenden näher erläutert; es zeigen:

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Fig. 1 die Anordnung des erfindungsgemäßen Einspritrventiles am Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine und

Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch das Vorderende des erfindungegeeäßen Einspritzventil*.

Die Fig. 1 zeigt in dem Teilausschnitt einer Brennkraftmaschine einen auf einen Motorblock 1 aufgesetzten Zylinderkopf 2 mit einem durch ein Einlaßventil 3 verschließbaren durch Wandungen 5 begrenzten Saugkanal 4. In dem Saugkanal herrscht in Abhängigkeit von dem auf und ab gehenden Kolben 6 eine pulsierende Strömung.

In Strömungsrichtung gesehen vor dem Ventil ist - in den Saugkanal 4 einmündend - ein Einspritzventil 7 angeordnet.

Es ist mit der Achse 8 des Sprühkegele 9 etwa tangential

und auf den Ventilteller des Ventiles 3 gerichtet zu der Kanal strömung angeordnet^ Das Einspritzventil, ist außen zylindrisch ausgebildet und in eine längsgeschlitzte in der Saugrohrwandung 5 angebrachte Klemmbohrung Io (Klemmschraube 11) festgeklemmt. Der unmittelbar in der Klemmbohrung festgeklemmte Außenteil 12 des Ventiles 7 ist aus elektrisch isolierendem Stoff (Rohrisolator 12). Der elektrisch leitende Gehäuseteil 13 des Ventiles ist mit dem Kabel Ik und der Schelle 15 elektrisch leitend mit dem Zylinderkopf 2 verbunden und damit - wie dieser auch - elektrisch auf "Masse" oder auf Potential Null gelegt. An dem Rohrisolator 12 ist oben über eine Gummikappe ein Spannung sZuführungskabel l6 nach außen geführt. An dem eigent-

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lichen Ventilgehäuse 13 ist am oberen Ende die Benzinzufüh· rungsleitung 17 angeschlossen. In dee dargestellten Ausführungsbeispiel ait einem vor den Ventil 3 angeordneten Einspritzventil steht die Einspritzleitung 17 ständig unter
Druck und demgemäß wird ständig Benzin in den unter geringen Druck stehenden Saugkanal k eingespritzt.

Die vergrößerte Darstellung der Fig. 2 zeigt die Spitze
des Einspritzventiles im Längsschnitt. Das rohrförmige
Ventilgehäuse 13 aus elektrisch leitendes Werkstoff z. B.
aus Stahl ist konzentrisch in einen ebenfalls rohrförmigen Isolator (Rohrisolator 12) eingeschoben und in definierter Axialposition darin festgehalten. Das Ventil weist eine
durch ein Tellerventilglied l8 verschließbare Öffnung mit
de» Öffnungsrand 19 auf. Der Ventilteller l8 wird durch
einen Ventilschaft 2o gehalten und durch die Kraft der Feder 21 in Schließrichtung gedrückt. Der Ventilteller l8
und der Öffnungsrand 19 bilden einen kegelförmig verlaufenden Ventilsitz l8/l9, dessen Achse gleichachsig zur Achse des Ventilgehäuses 13 verläuft. Aufgrund dieser Gestaltung bildet sich ein kegelförmiger Sprühstrahl - ein Sprühkegel 9 - mit der Achse 8 aus.

Die Auslaßöffnung des Ventiles ist erfindungsgemäß am Ende eines dünnwandigen vom Ventilgehäuse 13 bzw. der dem Ventilgehäuse noch zuzurechnenden eingebördelten Platte 23 abragenden Distanzrohres 22 angeordnet, welches wesentlich

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kleiner im Durchmesser iat al· «in« charakteristische Gehäuse abmessung an der Ansatzstelle 24 z. B. dar Gehäuserohr-Durchaeaaer. Das Distanzierungsrohr ist ebenfalls aus elektrisch leitenden Werkstoff und leitend mit des Gehäuse verbunden. Hierdurch ergibt sich eine sowohl elektrisch als auch mechanisch exponierte Lage der Austritteöffnung des Einspritzventiles.

Auf der Innenseite des Rohrisolators 12 ist an dessen freien Ende - die Auetrittsöffnung des Ventiles umgebend - eine Ringelektrode 25 angebracht, die mit dem Kabel l6 verbunden ist. Zur Erzielung eines rotationssymmetrischen Feldes sind die Elektrode gleichachsig zum Distanzrohr und zur Austrittsöffnung und deren Stirnkanten 26 und 27 achssenkrecht angeordnet. Die Ringelektrode ist großflächig gestaltet und so angebracht und ausgebildet, daß sie - vom Öffnungsrand 19 aus gesehen - unter einem möglichst großen Raumwinkel (Winkel<Λ, ) erscheint. Umgekehrt sind Vorkehrungen getroffen, damit die Austritt »öffnung bzw. deren unmittelbare Ränder - von irgendeinem Punkt der Elektrode 25 aus betrachtet - unter einem möglichst kleinen Raumwinkel erscheinen. Die Ringelektrode kann jedoch nicht beliebig groß gestaltet werden; ihre axiale Erstreckung ist begrenzt. So ist ». B. die hintere Stirnkante 26 der Ringelektrode so^weit in Einspritzrichtung nach vorne gerückt, daß sie von dem Ventilgehäuse bzw. der Platte 23 einen größeren Abstand hat als vom Distanzrohr 22 und die vordere Stirnkante

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ist in Einspritzrichtung soweit nach hintan gerückt, daß aie noch «it Sicherheit außerhalb dea Sprühkegele 9 liegt (Abstand A). Ub die Öffnungeränder der Austritteöffnung des Einspritzventil* von der Ringelektrode aus geaehen unter möglichst kleinen Rau«winkel erscheinen zu lassen, ist das Distanzrohr zum Öffnungsrand hin kegelstumpfförmig angeachärft (Kegelfläche 31) und der Ventilteller auf der von Ventilsitz abgewandten Seite konkav ausgehöhlt (Höhlung 32). Die Ringelektrode ist als Massivelektrode ausgebildet, was ihre Befestigung an Rohrisolator vereinfacht.

Die Ringelektrode ist auf Potential von etwa 2,5 bis 5 kV gelegt (Spannungsquelle 28). Dadurch bildet sich zwischen der Elektrode und den Distanzrohr 22 ein elektrisches Feld aus (Feldlinie 29). Die Potentialhöhe ist so zu wählen, daß mit Sicherheit Spannungeüberschläge vermieden werden. Die Überschlagsgrenze ist - abgesehen von dem einmal festgelegten Elektrodenabstand - auch noch von der elektrischen Leitfähigkeit und von der Durchschlagsfestigkeit der Kraftstoffflüssigkeit abhängig, die je nach Kraftstoffart und Zusätzen sehr unterschiedlich sein können. Ferner hängt die Überschlagagrenze vom Druck im Zerstäubungsraum ab. Dank der erfindungsgemäßen beschriebenen exponierten Anordnung der Auetritteöffnung im elektrischen Feld kommt es zu einer Feldlinienverdichtung im Bereich der Austritte-Öffnung und zu einer lokalen Feldüberhöhung in diesem Be-

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reich. Aufgrund dieser Maßnahmen wird in Austrittsbereich ein sehr hoher Feldatärkegradient erzielt, ao daß trotz ausreichendem Sicherheitsabstand der Gesautspannung von der Überschlagegrenze eine elektrostatische Flüssigkeitsversprühung in erheblichen Ausmaß erzielt werden kann. Insbesondere dann, wenn die Durchsätze klein und demgemäß die hydraulischen Vereprtihkräfte gering und nahezu wirkungslos sind, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ventilausbildung ein feiner Sprühnebel erzielt werden. Die Nebeltröpfchen erhalten eine elektrische Ladung, die ihrem Vorzeichen nach durch das des Distanzrohres bestimmt ist; auf die Tröpfchen wird demgemäß von der Elektrode eine Anziehungskraft ausgeübt.

Durch den Abstand A des Sprühkegels 9 von der Ringelektrode 25 iat gewährleistet, daß die mit einer gewissen Strahlgeachwindigkeit zunächst rein hydraulisch abgespritzten Flüssigkeitspartikelchen, die dann durch elektrostatische Kräfte in einzelne Tröpfchen zerlegt werden, daß diese fliegenden Tröpfchen also nicht auf die Elektrode aufprallen. Die Massenträgheit der Tröpfchen und da· Beharrungsvermögen in einer Flugbahn sind aufgrund des Abstandea A größer als die Anziehungskräfte der Elektrode, so daß die Tröpfchen an der Elektrode vorbeiflogen.

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Aufgrund der auch mechanischen bzw. aerodynamischen Ab-•chirmwirkung des Rohrisolators ist - im Feinbereich gesehen - die Auetrittestelle des Einspritzventiles in einem ströaungsmäßigen sogenannten Totwassergebiet angeordnet, so daß sich der Sprühkegel - durch Luftströmungen nicht behindert oder beeinträchtigt - in Ruhe ausbilden kann.

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Claims

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1.!Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, insbesondere Niederdruck-Einapritzventil für geaiachanaau(ende Brennkraftmaschinen, alt einem durch Federkraft entgegen der Einapritzrichtung auf den Ventilsitz vorgespannten kegelförmigen von einem Ventilschaft gehaltenen Ventilglied, welches durch hydraulischen Druck in der einzuspritzenden Kraftatoffflüssigkeit in Einapritzrichtung vom Ventilsitz abhebbar iat, wobei von der Ventilöffnung aufgrund eines kegelstumpfförmigen Ventilverschlußspaltea die Kraftstoffflüssigkeit in Form eines Sprühkegele abspritzbar iat, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (18/19) am Ende einea vom Ventilgehäuse (13) abragenden elektrisch leitenden und elektrisch leitend mit dem ebenfalls elektrisch leitenden Ventilgehäuse (13) verbundenen möglichst dünnwandigen den Ventilschaft (2o) mit Zwischenraum umschließenden Rohres (22) - Diatanzrohr angeordnet ist, welches im Außendurchmeβser wesentlich kleiner als eine charakteristische Ventilgenaueeabmeasung im Bereich der Verbindungsstelle (2k) des Distanzrohrea (22) mit dem Ventilgehäuse (13) iat und daß im Abstand um die Austrittsstelle des Ventiles herum eine elektrisch gegenüber dem Ventilgehäuse (13) und dem Distanzrohr (22) iaolierte flächige Ringelektrode (25) mit einem elektrisch leitenden Anschluß (l6) angeordnet ist, deren - in Richtung der Sprühkegelachse (8) und in Einapritzrichtung geaehen - zuvorderst liegende Stirn—

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kante (26) einen größeren Abstand vom Ventilgehäuse (13) aufweist als zu« Distanzrohr (22) und deren zuhinterst liegende Stirnkante (27) außerhalb des Sprühkegels (9) liegt (Abstand A) und daß die Ringelektrode (25) gegenüber dem Ventilgehäuse (13) auf ein elektrisches Potential gelegt ist (Spannungsquelle 28).

2. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Ringelektrode (25) gleichachsig zur Sprühkegelachse (8) angeordnet ist.

3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnkanten (26 und 27) der Ringelektrode (25) achssenkrecht zur Elektrodenachse angeordnet sind.

k. Einspritzventil nach Anspruch 1, d oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektrode (25) als Massivelektrode ausgebildet ist.

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5· Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (25) a° ausgebildet und angeordnet ist, daß sie - von der Austrittsöffnung (l9/l8) des Ventiles aus gesehen - unter einem möglichst großen Raumwinkel ( (A. ) erscheint.

6. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Ringelektrode (25) von dem Distanz rohr (22) oberhalb der Durchschlagsgrenze liegt.

7· Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzrohr (22) auf der Außenseite am Ventilsitzende kegeletumpfförmig angeschärft ist (Fläche 31)·

8. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand des Ventilgliedes (l8) im Querschnitt scharfkantig ausgebildet ist.

9« Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Ventilsitz abgewandte Seite des Ventilgliedes (18) ausgehöhlt ist (Höhlung 32).

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