DE3690391C2 - Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Stand der Technik wurden erhebliche Bemühungen auf die Entwicklung direkter (in den Zylinder) Einspritz­ vorrichtungen für Verbrennungsmaschinen verwendet.

Der größte Teil der Arbeit betraf diese Einspritzun­ gen, aber in letzter Zeit wurde den funkengezündeten Motoren mehr Aufmerksamkeit zugewandt.

In der PCT-Schrift WO 85/00854 A1 ist ein direktes Einspritzsystem beschrieben, das insbesondere für die Verwendung bei funkengezündeten Maschinen geeignet ist. Eine zugemessene Kraftstoff­ menge wird in eine. Haltekammer geliefert und ein Ventil wird geöffnet, durch das komprimierte Luft den Kraftstoff in die Verbrennungskammer des Motors be­ fördert. Die zugemessene Kraftstoffmenge wird in Ab­ hängigkeit von der Motorlast verändert. Die Ein­ spritzdüse beinhaltet das oben erwähnte Ventil, so daß das Ventil die Funktion für die Zeiteinstellung der Kraftstofflieferung und für die Durchführung der Zerstreuung des Kraftstoffes übernimmt.

Die Strahlcharakteristiken der aus der Düse in die Verbrennungskammer strömenden Kraftstofftröpfchen ha­ ben eine wesentliche Wirkung auf den Verbrennungswir­ kungsgrad des Kraftstoffes, der wiederum die Stabili­ tät des Motorbetriebes, die Ausnutzung des Kraftstof­ fes und die Abgasemissionen beeinflußt. Um diese Wir­ kungen zu optimieren, umfassen die wünschenswerten Charakteristiken des Strahlmusters des aus der Düse strömenden Kraftstoffs kleine Kraftstofftröpfchenab­ messungen, eine gesteuerte Eindringtiefe des Kraft­ stoffstrahls in die Verbrennungskammer und zumindest bei niedrigen Motorlasten eine relativ begrenzte gleichmäßig verteilte Kraftstofftröpfchenwolke.

Bei der Steuerung der schädlichen Komponenten im Mo­ torabgas ist es wünschenswert, die Anordnung des Kraftstoffes in der Gasladung in der Verbrennungskam­ mer zu steuern, um einer Anzahl von unterschiedlichen Parametern zu genügen. Im Idealfall sollte der Kraft­ stoff in der Gasladung derart verteilt werden, daß das resultierende Kraftstoff-Luftgemisch an der Zünd­ kerze leicht zu zünden ist, der gesamte Kraftstoffzu­ gang zu genügend Luft für eine vollständige Verbren­ nung hat und die Flamme eine genügende Temperatur aufweist, damit sie sich vor dem Verlöschen auf den gesamten Kraftstoff ausdehnen kann. Es gibt noch an­ dere Faktoren, die auch berücksichtigt werden müssen, wie Ladetemperatur, die eine Detonation erzeugen kann, oder die Bildung von ungewünschten Verunreini­ gungen im Abgas.

Bei Experimenten über direkte Kraftstoffeinspritzung bei Zweitaktmaschinen wurde gefunden, daß bei leich­ ten Motorlasten die besten Verbrennungscharakteristi­ ken erzielt werden, wenn der Kraftstoff in so kleinen Tröpfchen wie möglich und in einer zerstreuten, aber relativ auf den Bereich der Zündkerze begrenzten Wol­ ke in die Verbrennungskammer eingeführt wird.

Zusätzlich wurde für große Motorlasten gefunden, daß die besten Verbrennungscharakteristiken erzielt wer­ den, wenn der Kraftstoff ebenfalls in so kleinen Tröpfchen wie möglich, aber mit einer weiteren räum­ lichen Verteilung der Kraftstoffwolke tiefer in die Verbrennungskammer als bei der Kraftstoffwolke unter leichten Lastbedingungen eingeführt wird.

Obwohl die in der oben angegebenen Patentanmeldung beschriebenen pneumatischen Einspritzvorrichtungen die gewünschte feine Zerstäubung der Kraftstofftröpf­ chen und einen für die Verwendung in modernen Zwei­ taktmaschinen genügend kurzen Einspritzzeitraum vor­ sehen, wurde auch bis zu dieser Zeit festgestellt, daß ein Einspritzventil, das die korrekte Kraftstoff­ strahlverteilung für niedrige Motorlasten vorsieht, eine weniger annehmbare Verteilung für hohe Motorlas­ ten zur Verfügung stellt. In ähnlicher Weise arbeitet ein Einspritzventil, das die verlangte Verteilung für hohe Lasten vorsieht, nicht so gut bei niedrigen Mo­ torlasten. Daher wurde es in der Praxis für notwendig empfunden, ein Einspritzsystem mit einer Kompromißar­ beitsweise für die beiden Extreme des Betriebslastbe­ reiches zu verwenden, um die beste Gesamtarbeitsweise der Maschine zu erzielen. Eine teilweise in der Über­ windung dieses Problems erfolgreiche Technik lag dar­ in, den Druck der antreibenden Luft zu variieren, aber dies kann sowohl eine ungenügende Zerstäubung des Kraftstoffes als auch exzessiv hohe Einspritzdü­ sentemperaturen erzeugen, wenn niedrigere Drucke ver­ wendet werden.

Die DE-PS 916 365 beschreibt eine Verbrennungsmaschi­ ne mit Druckluft-Kraftstoffeinspritzung, bei welcher der Kraftstoff einerseits durch eine Mittelbohrung des Ventilkörpers und andererseits durch einen Rings­ palt zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz der Kraftstoff-Einspritzdüse in die Verbrennungskammer eingespritzt wird. Hierdurch erhält man einen gebun­ denen Strahl, der bis zur der Düse gegenüberliegenden Wand des Zylinderbrennraums reicht, und einen schlei­ erartigen Strahl, der den gebundenen Strahl kegelman­ telartig umgibt und den Bereich des Zylinderbrenn­ raums vor der Einspritzdüse mit Kraftstoff versorgt. Es können auf diese Weise zwei Zündkerzen, die eine in der Nähe der Einspritzdüse und die andere etwa diametral gegenüber, im Zylinderbrennraum angeordnet werden. Die DE-PS 916 365 zeigt zwar auch, daß die durch die beiden Kraftstoffstrahlen gebildeten Ge­ mischwolken mit steigender Belastung gleichmäßig an Ausbreitung zunehmen. Diese ergibt sich durch die wachsende Einspritzmenge; offensichtlich wird aber die Spritzweite nicht beeinflußt.

Die US-PS 2 555 803 bezieht sich allgemein auf Sprüh­ düsen für Fluide verschiedener Art, wobei ersichtlich ist, daß durch die Ausbildung des Ventilkörpers und des Ventilsitzes der Düse die Form des Sprühstrahls in weitem Maße verändert werden kann. Jedoch enthält auch diese Druckschrift keinen Hinweis darauf, daß, wenn das Sprühmedium eine Kraftstoff/Luft-Mischung ist, man die Düse so gestalten kann, daß die Sprüh­ weite vom Kraftstoffgehalt in der Luft abhängig ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung Einspritzen von flüssigem Kraftstoff in die Verbrennungskammer einer funkengezündeten Ver­ brennungsmaschine mit lastabhängig variierbarer La­ dungsschichtung in der Verbrennungskammer zu schaf­ fen, in welche Kraftstoff-Luftgemisch mittels Druck­ luft eingeblasen wird, wobei die Eindringtiefe des vorgemischten Kraftstoff-Luft-Strahles in Abhängig­ keit der Kraftstoffmenge pro Arbeitsspiel (und somit lastabhängig) variiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkma­ len. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung ergebe sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einsprit­ zen von flüssigem Kraftstoff in die Verbrennungskam­ mer einer funkengezündeten Verbrennungsmaschine,

• a) mit einer Einspritzdüse, in der zur Bildung ei­ ner Mischung aus flüssigem Kraftstoff und Gas als Kraftstoffgasladung für die Lieferung in die Verbrennungskammer Kraftstoff und ein unter ei­ nem im Wesentlichen konstanten Druck stehendes Gas zusammengeführt werden,
• b) mit einer Zumeßeinrichtung zum Variieren der Kraftstoffmenge in der Kraftstoffgasladung in Abhängigkeit von der Lastanforderung der Ver­ brennungsmaschine,
• c) mit einem Ventilglied der Einspritzdüse, das ei­ ne sich in Strömungsrichtung konisch erweiternde Ventildichtfläche aufweist,

mit einem mit der Ventildichtfläche zusammenwirken­ den, sich in Strömungsrichtung konisch erweiternden Ventilsitz im Einspritzkörper, wobei das Ventilglied betätigbar ist zum wahlweisen Öffnen oder Schließen einer Öffnung zwischen Ventilsitzfläche und Ventil­ dichtfläche für die wahlweise Zuführung der Kraft­ stoffgasladung in die Verbrennungskammer als Kraft­ stoffgasstrahl, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sich stromabwärts der Öffnung ein in Strömungs­ richtung sich erweiternder Wandbereich des Einspritz­ körpers anschließt, dessen eingeschlossener Winkel größer als der eingeschlossene Winkel der Ventilsitz­ fläche ist, wobei der eingeschlossene Winkel derart bemessen ist, daß der Kraftstoffgasstrahl bei einer zugemessenen Kraftstoffmenge unter einem ersten vor­ gegebenen Wert aufgrund seiner geringeren Dichte dem Wandbereich infolge der Wandhaftung folgt und der Kraftstoffgasstrahl eine kleine Spritzweite aufweist, und bei einer zugemessenen Kraftstoffmenge über einem zweiten vorgegebenen Wert der Kraftstoffgasstrahl auf­ grund seiner höheren Dichte und dem damit verbundenen Moment der zumindest teilweise durch die Öffnung vor­ gegebenen Richtung folgt und der Kraftstoffgasstrahl eine größere Spritzweite aufweist.

Wenn die Luftladung für jede Kraftstofflieferung als weitgehend konstante Masse aufrechterhalten wird, be­ wirken Änderungen in der darin mitgeführten zugemes­ senen Kraftstoffmenge eine entsprechende Änderung in der Kraftstoff-Luftladungsdichte. Eine vorbestimmte Kraftstoff-Luftladungsdichte wird so gewählt, daß bei niedrigen Motorlasten der Kraftstoff-Luftladungsstrom in Richtung zur Endwand abgelenkt wird. Diese Ablen­ kung des Kraftstoff-Luftladungsstroms erhöht die Breite des in die Verbrennungskammer strömenden Kraftstoffstrahls, wodurch eine geringe Stahl­ spritzweite erzeugt wird. Bei hohen Motorlasten be­ wirkt die gesteigerte Kraftstoffmenge und entspre­ chend die gesteigerte Kraftstoff-Luftladungsdichte, daß die Kraftstoff-Luftladung ein erhöhtes Moment aufweist, wenn sie an der inneren Umfangswand der Öffnung entlangströmt. Daher wird eine die Verbin­ dungsstelle zwischen der inneren Umfangswand und der Endwand erreichende Ladung durch ihr größeres Moment bewirken, daß sie weiterhin in die Richtung der Fort­ führung der Umfangswand fließt und nicht abgeleitet wird, um der Endwand zu folgen. Die nicht vorhandene Ablenkung der Kraftstoff-Luftladung bewirkt einen en­ geren Kraftstoffstrahl und somit eine größere Strahl­ weite. Die erhöhte Dichte und das resultierende Mo­ ment wird ebenfalls zur Bildung eines Strahles mit größerer Eindringtiefe beitragen.

Die Ablenkung der Kraftstoff-Luftladung bei niedrigen Dichten, durch die der Endwand gefolgt wird, rührt von der Wandhaftungswirkung her, wobei bei geeigneten Bedingungen ein an einer Fläche entlangfließendes Fluid seine Strömungsrichtung eher ändern wird, um einer Änderung der Richtung der Fläche zu folgen, als sich von der Fläche zu trennen.

Bei einer geeigneten Wahl der Änderung des Divergenz­ winkels zwischen der Umfangs- und der Endwand der Öffnung und mit Blick auf die Strömungsbedingungen der Kraftstoff-Luftladung durch die Öffnung ist es möglich, die Kraftstoffrate auszuwählen, bei der die Kraftstoff-Luftladung aufhört, in Richtung der End­ wand abgelenkt zu werden. In dieser Hinsicht ist es selbstverständlich, daß es einen Übergangsbereich zwischen dem Einfluß der Wandhaftungswirkung einer­ seits und der Wirkung des Moments andererseits gibt. Das bedeutet, daß über einen relativ schmalen Dichte­ bereich der Kraftstoff-Luftladung ein Teil der Ladung abgelenkt wird, um der Endwand zu folgen, und ein an­ derer Teil in der Richtung der Umfangswand weiter­ strömt.

Das oben beschriebene Verfahren zum Einspritzen von flüssigem Kraftstoff in eine Maschine sieht die Mög­ lichkeit vor, eine Änderung im Kraftstoffstrahlmuster zwischen niedrigen und hohen Kraftstoffraten automa­ tisch in einer vorgewählten Weise zu bewirken. Bei niedrigen Motorlasten wird ein weiter, Strahl mit ge­ ringer Eindringtiefe zur Verfügung gestellt, der au­ tomatisch in einen engen Strahl mit großer Eindring­ tiefe bei großen Kraftstofflasten geändert wird.

Das Vorsehen eines Strahls mit geringer Eindringtiefe ist insbesondere bei niedrigen Kraftstoffanforderun­ gen, d. h. bei niedrigen Motorlasten, zur Steuerung der Kohlenwasserstoffe im Abgas wichtig. Bei niedri­ gen Lasten ist die pro Zyklus eingespritzte Kraft­ stoffmenge gering, und wenn sie weit in der Motorgas­ ladung zerstreut ist, wird eine schlechte Zündfähig­ keit und Flammenstabilität bewirkt. Um diese gegen­ sinnigen Wirkungen zu vermeiden oder zu reduzieren, ist es notwendig, allgemein die Verteilung des Kraft­ stoffes in der Motorgasladung zu begrenzen und insbe­ sondere eine reiche Mischung in der unmittelbaren Nä­ he des Zündpunktes (Zündkerze) zur Verfügung zu stel­ len. Dadurch ist die Ladung aufgrund des fetten Gemi­ sches an der Zündkerze leicht zu zünden, und die re­ lativ geringe Kraftstoffmenge ist nicht dünn über die gesamte Motorgasladung verteilt noch ist der Kraft­ stoff auf die stark abgekühlten Bereiche der Verbren­ nungskammer verteilt, wobei beides zu einer schlech­ ten Durchdringung durch die Flamme und daraus resul­ tierendem unverbrannten Kraftstoff beiträgt, wodurch Kohlenwasserstoffe im Abgas bewirkt werden.

Bei hohen Kraftstoffanforderungen ist es wünschens­ wert, den Kraftstoff weiter über die Motorgasladung zu verteilen, so daß der Kraftstoff ausreichend einem Sauerstoffträger (Luft) ausgesetzt wird, um eine vollständige Verbrennung des gesamten Kraftstoffes zu erzielen. Daher ist eine tiefe Eindringung des Kraft­ stoffes in die Motorgasladung verlangt und ein enger Kraftstoff-Luftladungsstrahl wird bevorzugt um etwai­ gen unverbrannten Kraftstoff und resultierende Koh­ lenwasserstoffe in dem Abgas zu vermeiden.

Vorzugsweise wird jede zugemessene Kraftstoffmenge in einer individuellen Luftmasse mitgeführt, wobei die Luftmasse für jeden Motorzyklus weitgehend konstant bleibt, unabhängig von dem Kraftstoffbedarf. Daher wird die Dichte der Kraftstoff-Luftladung direkt mit dem Kraftstoffbedarf des Motors variieren. Vorzugs­ weise wird die individuelle Luftmasse bei einem gere­ gelten feststehenden Druck geliefert und der Zeit­ raum, bei dem für die Lieferung des in Kraftstoff mitgeführten Gases eine Verbindung zur Verbrennungs­ kammer besteht, ist für jeden Motorzyklus konstant, wodurch weitgehend die gleiche Luftmasse für jeden Zyklus der Kraftstofflieferung erreichbar ist.

Die Bedingung, bei der die Kraftstoff-Luftladung die Wandhaftungswirkungen während der Lieferung durch die Düse erfährt, würde normalerweise eine Anzahl von Faktoren zusätzlich zu der Dichte der Kraftstoff- Luftladung und dem Winkel zwischen der Umfangsfläche und der Endfläche einbeziehen. Die zusätzlichen Be­ dingungen schließen die Geschwindigkeit der Ladung durch die Düse, den Öffnungsgrad des betätigbaren Ventilgliedes für den Strom durch die Düse, die Größe der Kraftstofftröpfchen in der Kraftstoff-Luftladung und die geometrischen Relationen von anderen Flächen in dem Strömungspfad der Luft-Kraftstoffladung ein. Diese Bedingungen werden aber während des Betriebes eines Motors praktisch nicht verändert; daher werden sie als feste Bedingungen für jedes spezielle Kraft­ stoffeinspritzsystem betrachtet.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Ein­ spritzen von Kraftstoff erläutert. Die Figuren zei­ gen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Zweitaktmotor, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung ein­ setzbar ist,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Kraftstoffzumeß- und -einspritzvorrichtung,

Fig. 3 die Ansicht einer Einspritzvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, und

Fig. 4 die Ansicht einer Einspritzvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung.

Fig. 1 zeigt eine Einzylinder- Zweitaktverbrennungsmaschine 9 üblicher Konstruktion mit einem Zylinder 10, einem Kurbelgehäuse 11 und ei­ nem Kolben 12, der in der Verbrennungskammer hin- und hergeht. Der Kolben 12 ist über die Pleuelstange 13 mit der Kurbelwelle 14 verbunden. Das Kurbelgehäuse 11 ist mit Lufteinlaßöffnungen 15 mit Luftklappen 19 versehen und drei Überströmkanäle 16 (nur einer ge­ zeigt) verbinden das Kurbelgehäuse mit entsprechenden Überströmöffnungen, von denen zwei bei 17 und 18 ge­ zeigt sind und die dritte entspricht der Überström­ öffnung 17 auf der gegenüberliegenden Seite von Öff­ nung 18.

Die Überströmöffnungen 17, 18 sind jeweils derart in der Wand der Verbrennungskammer 10 angeordnet, daß ihre jeweiligen oberen Kanten in derselben diametra­ len Ebene der Verbrennungskammer 10 liegen. In der Wand der Verbrennungskammer 10 ist im Wesentlichen gegenüberliegend zu der zentralen Überströmöffnung 18 eine Auslaßöffnung 20 angeordnet. Die obere Kante der Auslaßöffnung 20 liegt etwas oberhalb der diametralen Ebene der oberen Kanten der Überströmöffnungen 17, 18 und wird daher innerhalb des Arbeitstaktes später ge­ schlossen.

Der lösbare Zylinderkopf 21 weist einen Verbrennungs­ hohlraum 22 auf, in den eine Zündkerze 23 und eine Einspritzdüse 24 hineinragt. Der Hohlraum 22 ist im Wesentlichen symmetrisch zu der axialen Ebene der Verbrennungskammer 10 angeordnet, die sich durch die Mitte der Überströmöffnung 18 und der Auslaßöffnung 20 erstreckt. Der Hohlraum 22 erstreckt sich durch die Verbrennungskammer 10 der direkt über der Über­ strömöffnung 18 liegenden Kammerwand über die Mittel­ linie der Verbrennungskammer 10 hinaus.

Der Querschnitt des Hohlraums 22 längs der oben ge­ nannten axialen Ebene der Verbrennungskammer 10 ist im Wesentlichen kreisbogenförmig am tiefsten Punkt bzw. an der Basis 28, wobei die Mittellinie des Bo­ gens etwas näher zu der Mittellinie der Verbrennungs­ kammer 10 als zu der Kammerwand über der Überström­ öffnung 18 liegt. Das näher an der Kammerwand über der Überströmöffnung 18 liegende Ende der bogenförmi­ gen Basis 28 geht in eine relativ gerade Fläche 25 über, die sich an der Kammerwand zur Unterfläche des Zylinderkopfes 21 erstreckt. Die Fläche 25 ist nach oben von der Kammerwand zur bogenförmigen Basis des Hohlraums 22 hin geneigt.

Das gegenüberliegende oder innere Ende der bogenför­ migen Basis 28 geht in eine relativ kurze steile Flä­ che 26 über, die sich zur Unterfläche 29 des Zylin­ derkopfes 21 erstreckt. Die Fläche 26 trifft auf die Unterfläche 29 unter einem relativ steilen Winkel. Die gegenüberliegenden Seitenwände des Hohlraums 22 (von denen nur eine bei 27 gezeigt ist) sind im We­ sentlichen flach und parallel zu der obengenannten axialen Ebene der Verbrennungskammer 10 und treffen daher ebenfalls unter einem steilen Winkel auf die Unterfläche 29 des Zylinderkopfes 21.

Die Einspritzdüse 24 ist an der tiefsten Stelle des Hohlraums 22 angeordnet, während die Zündkerze 23 in der entfernt von der Überströmöffnung 18 liegenden Fläche des Hohlraums liegt. Somit wird die in die Verbrennungskammer 10 eintretende Ladeluft längs des Hohlraums 22 an der Einspritzdüse 24 vorbei zu der Zündkerze 23 geführt und transportiert in dieser Wie­ se den Kraftstoff von der Einspritzdüse 24 zur Zünd­ kerze 23.

Die Einspritzdüse 24 ist Bestandteil einer Kraft­ stoffzumeß- und -einspritzvorrichtung, bei der der mit der Luft mitgeführte Kraftstoff in die Verbren­ nungskammer 10 des Motors mittels Druckluft geliefert wird. Eine besondere Ausführungsform der Kraftstoff­ zumeß- und -einspritzeinheit ist in Fig. 2 darge­ stellt.

Die Kraftstoffzumeß- und -einspritzeinheit weist eine geeignete Zumeßvorrichtung 30, beispielsweise einen handelsüblichen Drosselkörperinjektor auf, die mit einem Einspritzkörper 31 mit einer Kammer 32 verbun­ den ist. Der Kraftstoff wird von der Pumpe 36 aus dem Kraftstofftank 35 gezogen und über den Druckregler 37 durch die Kraftstoffeinlaßöffnung 33 der Zumeßvor­ richtung 30 geliefert. Die Zumeßvorrichtung 30 arbei­ tet in bekannter Weise und fördert eine zugemessene Kraftstoffmenge in die Kammer 32 in Übereinstimmung mit dem Kraftstoffbedarf des Motors. Zu der Zumeßvor­ richtung 30 gelieferter, überschüssiger Kraftstoff wird über die Kraftstoffauslaßöffnung 34 in den Kraftstofftank 35 zurückgeführt. Der besondere Aufbau dieser Zumeßvorrichtung 30 ist allgemein bekannt.

Während des Betriebes wird die Kammer 32 durch die von einer Druckluftquelle 38 über einen Druckregler 39 und den Durchgang 45 im Einspritzkörper 31 gelie­ ferte Luft unter Druck gesetzt. Das aus einem Ventil­ kopf 43 und einem Ventilstößel 44 bestehende Ventil­ glied wird betätigt und die unter Druck stehende Luft wird mit der zugemessenen Kraftstoffmenge über die Öffnung 42 in die Verbrennungskammer 10 des Motors geliefert. Der Ventilkopf 43 bildet ein Tellerventil, das nach innen zur Verbrennungskammer 10, d. h. nach außen von der Kammer 32 aus gesehen, öffnet.

Der Ventilkopf 43 ist über den Ventilstößel 44, der durch die Kammer 32 hindurchgeht, mit dem Anker 41 eines Solenoids 47 gekoppelt, das im Einspritzkörper 31 liegt. Der Ventilkopf 43 ist in die geschlossene Stellung durch eine Tellerfeder 40 vorgespannt und öffnet bei Erregen des Solenoids 47. Die Erregung des Solenoids 47 wird in zeitlicher Abhängigkeit von dem Arbeitsspiel des Motors gesteuert, um die Lieferung des Kraftstoffes aus der Kammer 32 über die Ein­ spritzvorrichtung in die Verbrennungskammer 10 des Motors zu bewirken.

Wie genauer in Fig. 3 und 4 zu erkennen ist, weist der Ventilstößel 44 einen Bundbereich 48 mit drei gleichabständigen Vorsprüngen 49 auf, deren Umfangs­ flächen 41 als Lagerflächen gegen den jeweiligen Be­ reich der inneren Oberfläche der Kammer 32 im Ein­ spritzkörper 31 dienen.

Durch diesen Aufbau wird der Ventilstößel 44 während der Öffnungs- und Schließbewegung des Ventils abge­ stützt und geführt und es sind Durchgänge zwischen den Vorsprüngen 49 für die Kraftstoff-Luftladung bei offenem Ventil vorgesehen.

Gemäß Fig. 3 weist der Ventilkopf 43 eine konische Ventildichtfläche 50, die sich von dem Ventilstößel 44 divergierend erstreckt, und die konische Führungs­ fläche 51, die sich vom äußeren Ende der Ventildicht­ fläche 50 zu der zylindrischen Endfläche 52 hin er­ streckt auf. Die Ventildichtfläche 50 weist vorzugs­ weise einen eingeschlossenen Winkel α von 60° und die Führungsfläche 51 vorzugsweise einen eingeschlossenen Winkel β von 30° auf. Die Öffnung 42 im Ende des Ein­ spritzkörpers 31 ist mit einer konischen Ventilsitz­ fläche 53 als Komplement zu der Ventildichtfläche 50 versehen und arbeitet mit dieser zusammen, um die Öffnung 42 zu schließen. Die konische Endfläche 54 erstreckt sich vom äußeren Ende der Ventilsitzfläche 53 zu der Kante 56 des Einspritzkörpers 31. Vorzugs­ weise weist die konische Endfläche 54 einen einge­ schlossenen Winkel γ von 96° auf.

Wenn die Öffnung 42, wie in Fig. 3 gezeigt, geöffnet ist, wird ein ringförmiger Durchgang 45 zwischen den konischen Flächen 51, 54 gebildet. Wenn die Neigung der jeweiligen Flächen den obigen Angaben entspricht, beträgt der Winkel zwischen den sich gegenüberliegen­ den Wänden des Durchganges 18°. Im dargestellten Bei­ spiel ist der Durchmesser der zylindrischen Endfläche 5 gleich 4,7 mm, der größte Durchmesser der konischen Endfläche 54 ist 12 mm und der des Ventilgliedes 43, 44 beträgt 0,35 mm.

In einer derartigen Ausführung der Öffnung 42 und des Ventilglieds 43, 44 wird die Kraftstoff-Luftladung aus dem Zwischenraum zwischen den parallelen Flächen 50, 53 als ringförmiger Vorhang aus in Luft mitge­ führten Kraftstofftröpfchen ausströmen. Wenn der Kraftstoffgehalt der Kraftstoff-Luftladung derart ist, daß die Dichte der Ladung unter einem gewählten Wert liegt, der später behandelt wird, wird der Vor­ hang der Kraftstoff-Luftladung wegen der Wandhaf­ tungswirkung von der Richtung der Flächen 50, 53 an ihren äußeren Enden abgelenkt, um längs der konischen Endfläche 54 der Öffnung 42 entlang zu fließen. Die Kraftstoff-Luftladung wird in Form des ringförmigen Vorhangs beibehalten, aber mit einem größeren einge­ schlossenen Winkel, wodurch der Kraftstoff in der Verbrennungskammer 10 sich nach außen verteilt und die axiale Eindringtiefe verringert wird.

Wenn der Kraftstoffgehalt der Kraftstoff-Luftladung sich bei steigender Motorlast erhöht, wird die Dichte steigen und wenn sie über den genannten gewählten Wert steigt, wird die Wandhaftungswirkung durch das Moment der Kraftstofftröpfchen überwunden und der ringförmige Kraftstoffvorhang wird im Wesentlichen die Richtung beibehalten, mit der er aus dem Zwi­ schenraum zwischen den Flächen 50, 53 ausströmt. Da­ her bleibt die Kraftstoff-Luftladung in einem engeren ringförmigen Vorhang mit einer größeren Geschwindig­ keitskomponente in axialer Richtung der Einspritzdüse 24 und wird daher tiefer in die Verbrennungskammer des Motors eindringen.

Es ist selbstverständlich, daß bei steigender Dichte der Kraftstoff-Luftladung keine plötzliche Unterbre­ chung der Wandhaftungswirkung auftreten wird, sondern der die Kraftstoff-Luftladung bildende ringförmige Vorhang wechselt von einer weiten zu einer schmalen Form über ein Ladungsdichteband. Allerdings ist die­ ses Band schmal im Vergleich mit dem Dichtegesamtbe­ reich, der über den gesamten Lastbereich des Motors auftritt.

In einer typischen Ausführungsform der oben beschrie­ benen Einspritzeinheit weist die in die Kammer 32 eingeführte geregelte Luft 550 KPa auf und das Ventil wird für einen Zeitraum von 4 Millisekunden für jeden Kraftstoffeinspritzzyklus geöffnet.

Unter diesen Bedingungen beträgt die nominale, jede Kraftstofflieferung in den Motor durchführende Luft­ masse ungefähr 8 mg und wenn der Kraftstoffbedarf, bei dem der Kraftstoffvorhang von der engen zur wei­ ten Form überwechselt, 5 mg Kraftstoff pro Lieferzy­ klus beträgt, dann ist die Dichte der Kraftstoff- Luftladung bei dem Übergang ungefähr 0,625.

Es ist gewünscht, daß die Eindringtiefe des Kraft­ stoffes bei geringen Lastbedingungen klein und bei hohen Lastbedingungen groß ist; allerdings ist die Last, bei der ein Wechsel in der Eindringtiefe am günstigsten ist, abhängig von einer Anzahl von Fakto­ ren. Daher ist die Auswahl der Kraftstoff-Luftla­ dungsdichte, bei der das Umschalten der Kraftstoff­ ausbildung auftritt, in starkem Maße von einer indi­ viduellen Wahl abhängig. Einer der wesentlichen Fak­ toren ist das Niveau der Abgasemissionen bei niedri­ gen Lasten im Verhältnis zur Leistungsabgabe bei hö­ heren Lasten. Ein Strahl mit kleiner Eindringtiefe ist wünschenswert, um die Abgasemissionen bei niedri­ gen Lasten zu begrenzen, aber wenn diese Eindringtie­ fe bei höheren Lasten aufrechterhalten wird, können die Leistungsabgabe und der Kraftstoffverbrauch dar­ unter leiden.

Die Wahl der Kraftstoffdichte, bei der das Umschalten des Strahles auftritt, liegt daher im Ermessen des Konstrukteurs, und wenn sie einmal gewählt ist, kann die Ausbildung der relevanten Oberflächen der Ein­ spritzdüse durch die bekannten Prinzipien der Wand­ haftungswirkung von Fluiden bestimmt werden. Es wurde gefunden, daß eine experimentelle Entwicklung der Ausbildung der Düse im Allgemeinen notwendig ist, um die Arbeitsweise zu optimieren, und dies wegen der Schwierigkeit, die genauen Betriebsbedingungen in der Verbrennungskammer des Motors und die Düse unter Be­ triebsbedingungen zu bestimmen.

Eine andere Ausführungsform der Einspritzeinheit ist in Fig. 4 in geschlossener Stellung gezeigt. Bei die­ ser Ausbildung weit der Ventilkopf 143 eine konische Ventildichtfläche 150 und eine zylindrische Endfläche 152 auf.

Die Öffnung 142 ist mit einer Ventilsitzfläche 153, die mit der Ventildichtfläche 150 zusammenarbeitet, und mit einem diametralen Wandbereich 154 versehen. Der allgemeine Aufbau des Ventilstößels 44 und der Führungsvorsprünge 39 ist identisch mit dem das vor­ her beschriebenen Ausführungsbeispiels nach Fig. 3.

Die Flächen 150, 153 weisen jeweils einen einge­ schlossenen Winkel δ von 120° symmetrisch zur Venti­ lachse auf und der Wandbereich 154 ist senkrecht zur Ventilachse, d. h. er hat einen eingeschlossenen Win­ kel von 180°. Der Ventilkopf 143 ragt über die Ebene des Wandbereiches 154 hinaus und der Winkel ε zwi­ schen dem herausragenden Teil der Ventildichtfläche 150 und dem Wandbereich 154 beträgt 30°.

Der die Kraftstoff-Luftladung bildende Vorhang würde normalerweise in Verlängerung zu den Flächen 150, 153 ausströmen und somit eine konische Form mit einem eingeschlossenen Winkel von 120° aufweisen. Aller­ dings wird die Wandhaftungswirkung eine Ablenkung des Vorhangs bewirken, wenn die Dichte des Kraftstoff- Luftgemisches unter einem bestimmten Wert liegt und längs des Wandbereiches 154 fließen, wodurch der ein­ geschlossene Winkel des Vorhangs 180° beträgt.

Die geneigte Fläche 155 bestimmt das Ausmaß der Strö­ mung der Kraftstoff-Luftladung längs des Wandberei­ ches 154 in radialer Richtung zur Ventil- und Öff­ nungsachse. Die Neigung der Fläche 155 zum Wandbe­ reich 154 ist derart, daß die Wandhaftungswirkung ein Ablenken der Ladung unter Verlassen des Wandbereichs 154 und Folgen der geneigten Fläche 155 nicht er­ zwingt.

In beiden Ausführungsformen nach Fig. 3 und 4 kann der Winkel zwischen dem Dichtungsbereich der Öffnung und dem Endbereich der Öffnung zwischen 15° und 40° abhängig von der Kraftstoffrate, bei der das Umschal­ ten des Kraftstoff-Luftladungsvorgangs gefordert wird, variieren. Der Ventilkopf kann sich über den Endbereich der Öffnung wie in Fig. 4 erstrecken oder kann wie in Fig. 3 zurückgesetzt sein. Ein zurückge­ setzter Ventilkopf kann auch mit einem diametralen Endbereich der Öffnung verwendet werden, d. h. der Ventilkopf 143 in Fig. 4 kann unter die Ebene des Wandbereiches 154 abgesetzt sein.

In der vorliegenden Beschreibung wurde insbesondere auf die Verwendung der vorliegenden Einspritzvorrich­ tung in Verbindung mit einer Zweitaktmaschine mit Funkenzündung und hin- und hergehendem Kolben hinge­ wiesen; es ist allerdings selbstverständlich, daß die beschriebene Vorrichtung zum Einspritzen von flüssi­ gem Kraftstoff ebenfalls für Viertaktmotoren und/oder für solche anderer Ausführung, wie mit Drehkolben, verwendbar ist. Die Vorrichtung ist anwendbar für Verbrennungsmaschinen jedweder Verwendung, sie ist insbesondere nützlich in Verbindung mit Kraftstoffe­ insparungen und die Steuerung der Abgasemissionen in Motoren für oder in Fahrzeugen einschließlich Automo­ bilen, Motorrädern und Booten einschließlich Außen­ bordschiffsmotoren.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Einspritzen von flüssigem Kraft­ stoff in die Verbrennungskammer (10) einer fun­ kengezündeten Verbrennungsmaschine (9),

• a) mit einer Einspritzdüse (24), in der zur Bildung einer Mischung aus flüssigem Kraft­ stoff und Gas als Kraftstoffgasladung für die Lieferung in die Verbrennungskammer (10) Kraftstoff und ein unter einem im We­ sentlichen konstanten Druck stehendes Gas zusammengeführt werden,
• b) mit einer Zumeßeinrichtung (30) zum Variie­ ren der Kraftstoffmenge in der Kraftstoff­ gasladung in Abhängigkeit von der Lastan­ forderung der Verbrennungsmaschine (9),
• c) mit einem Ventilglied (43, 44) der Ein­ spritzdüse (24), das eine sich in Strömungs­ richtung konisch erweiternde Ventildicht­ fläche (50, 150) aufweist,
• d) mit einem mit der Ventildichtfläche (50, 150) zusammenwirkenden, sich in Strömungs­ richtung konisch erweiternden Ventilsitz (53, 153) im Einspritzkörper (31), wobei das Ventilglied (43, 44) betätigbar ist zum wahlweisen Öffnen oder Schließen einer Öff­ nung zwischen Ventilsitzfläche (53, 153) und Ventildichtfläche (50, 150) für die wahlweise Zuführung der Kraftstoffgasladung in die Verbrennungskammer (10) als Kraft­ stoffgasstrahl,

dadurch gekennzeichnet, daß sich stromabwärts der Öffnung (42) ein in Strömungsrichtung sich erweiternder Wandbereich (54, 154) des Einspritzkörpers (31) anschließt, dessen eingeschlossener Winkel größer als der eingeschlossene Winkel der Ventilsitzfläche (53, 153) ist, wobei der eingeschlossene Winkel der­ art bemessen ist, daß der Kraftstoffgasstrahl bei einer zugemessenen Kraftstoffmenge unter ei­ nem ersten vorgegebenen Wert aufgrund seiner geringeren Dichte dem Wandbereich (54, 154) in­ folge der Wandhaftung folgt und der Kraftstoff­ gasstrahl eine kleine Spritzweite aufweist, und bei einer zugemessenen Kraftstoffmenge über einem zweiten vorgegebenen Wert der Kraft­ stoffgasstrahl aufgrund seiner höheren Dichte und dem damit verbundenen Moment der zumindest teil­ weise durch die Öffnung (42) vorgegebenen Rich­ tung folgt und der Kraftstoffgasstrahl eine grö­ ßere Spritzweite aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einspritzdüse (24) zur Bildung einer Kraftstoffgasladung eine Kammer (32) auf­ weist, in die die Zumeßeinrichtung (30) die zu­ gemessene Kraftstoffmenge liefert und bei der die wahlweise zu öffnende Öffnung (42) in ihrer Offenstellung eine Verbindung zwischen der Kam­ mer (32) und der Verbrennungskammer (10) her­ stellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Druckluftquelle (38, 39) vorgesehen ist, die die Kraftstoffgasladung ei­ nem antreibenden Druck unterwirft, und bei ge­ öffneter Öffnung (42) die Kraftstoffgasladung in die Verbrennungskammer (10) liefert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Vorrichtungen (40, 41, 47) zum Öffnen der Öffnung (42) für einen weitgehend gleichbleibenden Zeitraum für jede Lieferung der Kraftstoffgasladung in die Verbrennungskammer (10) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die geöffnete Öff­ nung (42) einen in die Fließrichtung der Ladung divergierenden ringförmigen Durchgang (45) und eine koaxiale ringförmige Fläche (53) aufweist, die sich von dem Durchgang (45) an seinem strom­ abwärtigen Ende mit einem größeren Divergenzwin­ kel als der des Durchganges (45) nach außen er­ streckt, so daß bei zugemessenen Kraftstoffmen­ gen unter dem ersten vorgegebenen Wert der von diesem Durchgang (45) abströmenden Kraft­ stoffstrahl nach außen abgelenkt wird und über die ringförmige Fläche (53) fließt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der eingeschlossene Winkel der di­ vergierenden ringförmigen Fläche (53) um 15° bis 40° größer als der eingeschlossene Winkel des divergierenden ringförmigen Durchganges (45) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasladung auf einem geregelten Druck gehalten wird und die Öffnung (42) für einen konstanten Zeitraum wäh­ rend jedes Kraftstofflieferzyklus in die Ver­ brennungskammer (10) geöffnet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (42) derart angeordnet ist, daß der ausströmende Kraftstoffstrahl eine Kraftstoffwolke im Bereich der Zündkerze (23) zum Zündzeitpunkt in der Ver­ brennungskammer (10) bildet, wenn die zugemesse­ ne Kraftstoffmenge unter dem ersten vorgegebenen Wert liegt.