DE3808635C2 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritz­ vorrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in den Zy­ linder einer gemischverdichtenden Kraftmaschine, mit einem Einspritzventil, das in der Zylinderwand im Abstand vom Zylin­ derkopfund gegenüber der Auslaßöffnung angeordnet ist und eine Ausgangsöffnung aufweist, wobei die Strahlachse des Ein­ spritzventils auf den Bereich um die im Zylinderkopf angeord­ nete Zündkerze gerichtet ist.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Nieder­ druck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die vorzugsweise bei einem Zweitaktmotor als Ersatz für den herkömmlichen Ver­ gaser verwendbar ist, um die Nachteile einer hohen Abgas­ belastung und eines hohen Kraftstoffverbrauchs des her­ kömmlichen Zweitakt-Benzinmotors zu beseitigen.

Das Hauptproblem bei der Verursachung eines hohen Kraft­ stoffverbrauchs und hoher Luftverschmutzung tritt während des Absaugprozesses auf, wobei ein Teil des frisch in den Zylinder angesaugten Gemisches zusammen mit dem Abgas nach außen entweicht, das heißt der sogenannte Kurz­ schluß von Kraftstoff; wobei der entweichende Teil übli­ cherweise im Bereich von 25 bis 40% liegt. Um die vor­ stehenden Probleme zu lösen, ist die Anwendung einer Zy­ lindereinspritzung als Ersatz für einen herkömmlichen Brennstoff und Luft vermischenden Vergaser ein wirksames Verfahren, und der Drosselkörper wird nur dazu verwendet, den eingehenden Luftdruck zu steuern, ohne den Kraftstoff zu bemessen, so daß während des Absaugprozesses oder Spülhubs nur reine Luft in den Zylinder eingesaugt wird. Nachdem der Absaug­ prozeß beendet ist, spritzt die Einspritzvorrichtung für die Verbrennung Brennstoff in den Zylinder. Durch dieses Zylinder-Einspritzsystem kann der Nachteil des Kraftstoff- Kurzschlusses beseitigt werden; bei den bekannten Einrich­ tungen gibt es jedoch technische Schwierigkeiten, die zu beseitigen sind.

Gemäß der herkömmlichen Einspritztechnik für Zweitaktdie­ selmotoren ist die Einspritzdüse am Zylinderkopf vorge­ sehen. Nach dem Ende des Absaugprozesses schließt der Kol­ ben die Absaugöffnung und durch die Einspritzdüse wird Dieselkraftstoff eingespritzt, um den Kraftstoff-Kurz­ schluß zu verhindern. Um zu verhindern, daß der Kraftstoff innerhalb der Einspritzdüse infolge der Wärmeübertragung bedingt durch die hohe Temperatur des Zylinderkopfes, verdampft wird, muß der Druck des Kraftstoffes extrem angehoben sein, um höher als der "Reid-Dampfdruck" des Kraftstoffes beider im Zylinder herrschenden, höchsten Tem­ peratur, zu sein. Ein solches System wird eine Hochdruck­ einspritzung genannt, die Bauteile hoher Präzision, wie beispielsweise eine Einspritzpumpe, Düsen, Rohrleitungen etc. braucht. Daher ist eine derartige Einspritzung aus Kostengründen bei einem Zweitakt-Benzinmotor niemals kommerziell geworden.

Die bekannte Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die üblicher­ weise bei einem Viertakt-Benzinmotor verwendet wird, ist eine Niederdruckeinrichtung, bei der der Kraftstoffdruck im Bereich vom 1 kg/cm² bis 3 kg/cm² liegt, wobei der Kraftstoff in die Eingangsleitung oder das Drosselventil eingespritzt wird, das heißt das sogenannte Zylinder­ außenverfahren. Die Umgebungsbedingungen der vorstehend beschriebenen Einspritzposition sind einfach. Für den Fall, daß ein derartiges Niederdruck-Einspritzverfahren in einem Zylinder verwendet wird, ist die Düse der Ein­ spritzvorrichtung anfällig für eine Verschmutzung ihrer Spitze, und der Kraftstoff innerhalb der Düse ist eben­ falls anfällig für ein Verdampfen infolge der Wärmeüber­ tragung vom Zylinder; was dazu führt, das die Düse ihre Meßgenauigkeit nicht beibehalten kann, da ihre Spitze ver­ schmutzt ist und der Kraftstoff in ihrem Inneren ver­ dampft. Die Hauptfaktoren für die Düsenspitzenver­ schmutzung liegen an dem Abgasstrom und der Carboni­ sierung von restlichen Kraftstofftropfen nach dem Ein­ spritzen und bei einem solch niedrigen Druck ist es für den Kraftstoffstrom schwierig, den abgeschiedenen Kohlenstoff zu entfernen. Ungeachtet der verwendeten Bohrungsart oder der Nadelart des bekannten Injektors bestimmt die Querschnittsfläche seiner Düse die Strö­ mungsgeschwindigkeit des eingespritzten Kraftstoffes; d. h. eine Düse mit Kohlenstoffabscheidungen würde die gewünschte Kraftstoff-Strömungsgeschwindigkeit beein­ flussen.

Darüber hinaus könnte die elektromagnetische Ventilan­ ordnung im Injektor als Ergebnis der Langzeit-Ab­ nutzungs-Rißbildung und der Materialermüdung (wie bei­ spielsweise der Federteile) ihre üblichen dynamischen Eigenschaften verlieren. Fast alle bekannten Benzin-Ein­ spritzvorrichtungen haben einen feststehenden Aufbau und immer, wenn ihre dynamischen Eigenschaften in Unordnung sind, können sie nicht mehr repariert und korrigiert werden.

Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches ist bekannt aus der DD-PS 2 28 585 A1. Bei die­ ser Einspritzvorrichtung wird der vom Einspritzventil erzeugte Strahl nicht unmittelbar auf die Zündkerze gerichtet, da diese von der Kante des kugel- oder walzenförmigen seitlich abge­ setzten Trennraumes abgeschattet wird. Dadurch können Meßun­ genauigkeiten der Ausgangsöffnung auftreten, wenn Ablagerungen in der Öffnung auftreten.

Aus der DE-OS 25 43 805 ist ein Einspritzventil bekannt, durch welches eine Drallströmung erzeugt wird. Die Anordnung des Einspritzventils im Zylinder in Relation zur Zündkerze und über das Querschnittsflächenverhältnis zwischen Drall, Nuten und Ausgangsöffnungen wird nicht angesprochen.

US-PS 47 08 100 zeigt eine Einspritzvorrichtung, bei der das Einspritzventil den erzeugten Strahl zuerst in einen Ver­ gasungsraum, der zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenauge angeordnet ist, einspritzt. Auch hier wird der Kraftstrahl nicht unmittelbar auf die Zündkerze gerichtet, so daß bei Ver­ schmutzung der Einspritzventildüse eine gesteuerte Kraftstoff­ zufuhr nicht mehr möglich ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kraft­ stoffeinspritzvorrichtung zu schaffen, bei der Probleme wie Dampfbildung im Düseninneren und folgende Überhitzung bei niedrigem Kraftstoffdruck, Abscheiden von Kohlenstoff an der Düse und dadurch auftretende Meßungenauigkeiten und Störungen des elektromagnetischen Ventils vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird an­ hand der folgenden Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Niederdruck-Einspritzsystem, bei einem Zweitakt-Benzinmotor gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt;

Fig. 2 die Einspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt;

Fig. 3 eine Einzelheit des Düsenkörpers und der Dü­ sennadel der Einspritzdüsenanordnung an der Vorderseite der Einspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine detailierte Ansicht des vorderen Endes der Düsennadel gemäß der vorliegenden Erfin­ dung;

Fig. 4A eine Draufsicht entlang der Linie A-A gemäß Fig. 4;

Fig. 4B ein Schnitt entlang der Schnittlinie B-B in Fig. 4.

Fig. 1 zeigt ein Einspritzsystem, zum Einspritzen vom zerstäubten Kraftstoff unter niedrigem Kraftstoffdruck direkt in einen Zweitakt-Benzinmotor, mit einer Ein­ spritzvorrichtung E, einer Niederdruck-Kraftstoffpumpe P und einem Druckregler A, wobei die Einspritzvorrichtung E in der Zylinderwand C befestigt ist; die Ausgangsöff­ nung N der Einspritzvorrichtung oberhalb der dritten Ab­ saugöffnung S₃ gegenüber der Absaugöffnung X angeordnet ist, und zum Zylinderkopf H einen geeigneten Abstand von L aufweist. Der Grund für das Aufrechterhalten eines ge­ eigneten Abstandes L zum Zylinderkopf H besteht darin, daß die Einspritzvorrichtung E vom Bereich mit hoher Tem­ peratur und hohem Druck unterhalb des Zylinderkopfes H weit entfernt befestigt ist, um den Systemdruck abzusenken.

Bei dieser Montageposition mit einem geeigneten Abstand L zum Zylinderkopf ist der "Reid-Dampfdruck" des Kraft­ stoffes innerhalb der Einspritzvorrichtung bei Wärme­ übertragung kleiner als der Systemkraftstoffdruck, d. h. 3 kg/cm², wodurch eine volle Kraftstoffeinspritzung ohne irgendwelche Dämpfe aufrecht erhalten wird. Die Einspritz­ achse der Einspritzvorrichtung E ist auf dem Mittelpunkt des Zylinderkopfes H gerichtet, d. h. dem Zündpunkt. Da der Raum um die Zündkerze ein reicheres Gemisch hat, kann die Grenze für das Kraftstoff/Luft-Verhältnis des Gemi­ sches weiter um einige Grad verringert werden. Anders ge­ sagt kann ein besseres Verbrennungsergebnis erzielt wer­ den. Der Kraftstoffdruck ist durch die Pumpe P eingestellt und wird über ein druckregulierendes Ventil A geregelt, um den Druck auf einem vorgegebenen Stand von beispiels­ weise 3 kg/cm² zu halten. Der Kraftstoff wird mit einem konstanten Druck in den oberen Teil T der Einspritzvor­ richtung E eingeleitet. Die Motorsteuereinheit U kann ein Impulssignal erzeugen, um das Einspritzen einer ge­ wünschten Menge Kraftstoff in den Zylinder durch die Ein­ spritzvorrichtung E zu steuern, die mit der Luft im Zy­ linder vermischt wird, um dann gezündet zu werden. Insbe­ sondere während dem Absaugprozeß wird nur frische Luft durch die Absaugkanäle S₁, S_2, S₃ in den Zylinder ge­ saugt; und sobald der Absaugprozeß beendet ist, wird der Kraftstoff in dem Zylinder eingespritzt; anders gesagt während diesem Absaugprozeß ist jede Frischluft, die ohne Entweichen von Kraftstoff in die Absaugöffnung gelangt, eine reine Luft, und kein unverbranntes Gemisch, wie dies üblicherweise bei einem herkömmlichen Motor passiert, und daher kann durch die vorliegende Erfindung der Verlust bedingt durch den Kraftstoffkurzschluß verhindert werden. Der eingespritzte Kraftstoff kann durch ein herkömmliches Verfahren gesteuert werden, dessen detaillierte Beschrei­ bung hier weg gelassen wird.

Bei der vorstehend beschriebenen Einspritzposition ist die Umgebung der Einspritzdüse auf einer niedrigeren Tem­ peratur und der Kraftstoff kann mit einem niedrigen Zu­ führdruck eingespritzt werden, und an der Düse kann sich etwas Kohlenstoff absetzen. Die Kohlenstoffabscheidung an der Düsenspitze würde die Genauigkeit des Kraftstoffvolu­ mens, welches durch eine herkömmliche Einspritzvorrichtung eingespritzt wird, aufs Spiel setzen. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine speziell konstruierte Einspritzdüse verwendet, um den vorstehen beschriebenen Nachteil der herkömmlichen Einspritzvorrichtung zu beseitigen, und um die Einspritzbemessungsgenauigkeit aufrecht zu erhalten, damit die Düse für eine vergleichsweise lange Zeitdauer unter solchen Einspritzbedingungen verwendet werden kann.

Fig. 2 zeigt im Schnitt die Einspritzvorrichtung E gemäß der vorliegenden Erfindung, die im wesentlichen besteht aus einer elektromagnetischen Anordnung I, einer Ein­ spritzdüsenanordnung II und einer Anordnung III zum Ein­ stellen der Federkraft und des Ventilhubes. Die elektro­ magnetische Einrichtung in besteht weiterhin aus einer Wicklung 5, die um eine Spule 50 gewickelt ist, die Wick­ lung 5 führt nach außen (nicht dargestellt), um einen An­ schluß an die Leitung für das Steuersignal zu erzeugen. Beide Enden der Spule 50 sind jeweils mit zwei Nuten 51 und 52 versehen, die zur Aufnahme von jeweils zwei O-för­ migen Öldichtungen 510 und 520 dienen. Die Wicklung 5 ist innerhalb des Gehäuses 4 angeordnet, welches aus einem weichmagnetischen Material als Teil des Magnetkreises hergestellt ist. Das vordere Ende 41 des Gehäuses 4 ist mit der Einspritzdüseneinrichtung II verbunden, während das rückwärtige Ende des Gehäuses 4 mit einer Magnet­ schulter 6 und der Einstelleinrichtung III für die Feder­ kraft und den Ventilhub verbunden ist. In einem Raum 45 des Gehäuses 4 ist eine Armatur 3 angeordnet.

Die Magnetschulter 6 besteht ebenfalls aus einem weich­ magnetischen Material, um einen Teil des Magnetkreises zu bilden. Die Innenfläche 61 der Magnetschulter und die Außenfläche 71 des magnetischen rohrförmigen Stators 7 sind miteinander drehbar verbunden. Der magnetische, rohrförmige Stator 7 ist ein wesentlicher Teil im Magnetkreis und besteht aus einem Material mit hoher magnetischer Leitfähigkeit. Das äußere Ende des magneti­ schen, rohrförmigen Stators 7 ist mit Gewindegängen 72 versehen, die mit dem Innengewinde 62 der Magnetschulter 6 zusammenwirken.

Wenn zwischen dem magnetischen, rohrförmigen Stator 7 und der Magnetschulter 6 eine relative Drehbewegung erfolgt, wird der Spalt t zwischen dem inneren Ende des magneti­ schen, rohrförmigen Stators 7 und der Armatur 3, mit der die Ventilnadel 2 befestigt ist, geändert; wobei der Spalt t den Bewegungsabstand bestimmt, mit dem die Ven­ tilnadel 2 durch die Armatur 3 angezogen werden kann, d. h. den Hub der Ventilnadel 2 bestimmt. Der Hub kann durch Festlegen der Magnetschulter 6 und des magnetischen, rohrförmigen Stators 7 mittels einer Mutter 8 festgelegt werden. Das innere Ende 73 des magnetischen rohrförmigen Stators 7 ist durch Kleben oder Platinieren mit einer Schicht 73a aus nichtmagnetischem Material versehen, um zwischen der Armatur 3 und dem magnetischen, rohrförmigen Stator 7 einen nichtmagnetischen Spalt zu bilden, wenn das Ventil offen ist und die Armatur 3 das innere Ende 73 erreicht, um ein schnelles Trennen der Armatur 3 vom Stator 7 bei Unterbrechen des Speisestroms zu erleichtern. Die Außenfläche 91 des Federeinstellrohres 9 an der Innen­ seite 74 des magnetischen, rohrförmigen Stators 7 wirkt mit der "Gewindeteile" 75 und 92 zusammen, um die relative Dreh­ bewegung des Stators 7 und des Rohres 9 zum Einstellen der Druckkraft der Feder SP zwischen dem inneren Ende 93 des Rohres 9 und der Armatur 3 zu erleichtern, wodurch die dynamischen Reaktionseigenschaften der Armatur 3 einge­ stellt werden können. Nachdem die Federkraft festgelegt worden ist, kann die Position des Federeinstellrohres 9 festgelegt werden, indem die Aussparung 76 am magnetischen rohrförmigen Stators 7 verformt wird.

Die Einspritzdüseneinrichtung II hat einen Ventilkörper 1 und eine Ventilnadel 2. Der Ventilkörper 1 und das Gehäuse 4 sind fest miteinander verbunden und mittels einer Nut 10 und einer Öldichtung 100 gegeneinander abgedichtet. In der Mitte des Ventilkörpers 1 ist eine Bohrung zur verschieb­ baren Aufnahme der Ventilnadel 2 vorgesehen. Das innere Ende der Ventilnadel 2 und die Armatur 3 sind fest mitein­ ander verbunden, haben jedoch zwischen sich einen Kraft­ stoffkanal 23. Zwischen der Ventilnadel 2 und dem Ventil­ körper 1 befinden sich ebenfalls Kraftstoffkanäle 24, 25 und 26 und spiralförmige Kraftstoffkanäle 27. Die Einzel­ heiten dieser Kanäle und die Düsenöffnung N werden im Fol­ genden beschrieben. Wenn die Einspritzdüsenanordnung durch Anziehen der Ventilnadel 2 und der Armatur 3 durch den Stator 7 geöffnet wird, strömt Kraftstoff durch das obere Ende T der Einspritzvorrichtung E, das die federjustieren­ de Rohr 9, den Zwischenraum in der Feder SP und die vor­ stehend genannten Kraftstoffkanäle und wird an der Düsen­ öffnung N eingespritzt und zerstäubt.

Fig. 3 zeigt im einzelnen den Ventilkörper 1 und die Ven­ tilnadel 2; in der Mitte des Ventilkörpers 1 ist ein Durchlaß 11, in dem die Ventilnadel 2 verschiebbar ange­ ordnet ist. Im vorderen Ende der Öffnung 11 ist ein ko­ nischer Sitz 12 mit einem Winkel θ hinter der Düsenöffnung N vorgesehen. Der Kontaktteil zwischen dem konischen Sitz 12 und der konischen Fläche 22 der Ventilnadel 2 bildet die Dichtung 28; anders gesagt es wird Kraftstoff dann eingespritzt, wenn die Ventilnadel 2 vom konischen Sitz 12 wegbewegt wird.

Die bei jedem Zyklus eingespritzte Kraftstoffmenge hängt von der Kraftstoffströmungsgeschwindigkeit (pro Sekunde eingespritztes Kraftstoffvolumen) aus der Ausgangsöffnung ab, so daß die Kraftstoffströmungsgeschwindigkeit, die durch den Querschnitt der die Kraftstoffströmung einschnü­ renden Kanäle bestimmt wird, und für eine lange Betriebs­ zeit konstant gehalten werden muß. Ungeachtet der vorste­ hend beschriebenen herkömmlichen Kraftstoffeinspritzvor­ richtung, bei der die Kraftstoffströmungsgeschwindigkeit durch die Ausgangsöffnung gesteuert wird, wird die Kraftstoff-Strömungsgeschwindigkeit der Einspritzdüsen­ einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Gesamtquerschnittsfläche der spiralförmigen Nuten der Kraftstoffkanäle 27 bestimmt, d. h. anders gesagt die Querschnittsfläche der Ausgangsöffnung N ist sehr viel größer als diese Spiralförmigen Nuten, beispielsweise größer als das Zweifache derselben. Da die spiralförmi­ gen Nuten hinter der Dichtung 28 liegen und frei von Ver­ schmutzungen sind, kann die Einspritzdüse ihre Meßge­ nauigkeit für eine lange Zeitdauer selbst dann aufrecht­ erhalten, wenn die Ausgangsöffnung der Düsenspitze mög­ licherweise verschmutzt ist.

Wie aus den Fig. 4, 4A und 4B zu ersehen ist, ist das vordere Ende der Ventilnadel 2 ein runder Stiftkeil 21, der verschiebbar in der Öffnung 11 des Ventilkörpers 1 be­ festigt ist, dessen Außenfläche mit mehreren spiralförmi­ gen Kraftstoffkanälen 210 (in der Fig. 4A sind 6 Kanäle dargestellt) versehen ist, die in gleichen Winkelabständen ψ (60 Grad gemäß Fig. 4A) angeordnet sind. Die spiralför­ migen Kraftstoffkanäle 210 können mit irgendeiner Quer­ schnittsform versehen sein (beispielsweise hat der in der Fig. 4B gezeigte spiralförmige Kraftstoffkanal eine dreieckige Querschnittsform mit einem Winkel von α und einer Tiefe von a). Der spiralförmige Kraftstoffkanal 210 ist mit einem Neigungswinkel θ hergestellt, so daß der spiralförmig geführte Kraftstoff zur besseren Zerstäubung einen Kraftstoffdrall erzeugt. Der Neigungswinkel θ hängt von dem erforderlichen Sprühwinkel des zerstäubten Kraft­ stoffes ab. Das vorderste Ende des runden Stiftteils 21 bildet eine konische Fläche 22 mit einem Winkel θ_p Die Beziehung zwischen der konischen Fläche 22 und im konischen Sitz 12 ist so, daß der Winkel θ_v des konischen Sitzes 12 etwas kleiner, ungefähr 2 bis 4 Grad ist, als der Winkel θ_p der konischen Fläche 22; in diesem Fall wurden bei Ver­ suchen die besten Zerstäubungsergebnisse erhalten. Das gün­ stigste Verhältnis l/t zwischen der Länge l und dem Durch­ messer d des runden Stiftteiles 21 sollte im Bereich von 1 bis 1,5-fach liegen.

Die Vorteile der vorstehend beschriebenen Kraftstoff-Ein­ spritzvorrichtung sind:

• 1. Die Beseitigung des Kraftstoffverlustes bei Verwendung in einem Zweitakt-Benzinmotor durch Absaugung von reiner Luft.
• 2. Die Erzeugung eines reicheren Gasgemisches im Bereich der Zündkerze, wodurch ein besseres Verbrennungsergebnis erzielt wird.
• 3. Die Verringerung der Kosten der gesamten Einrichtung durch spezielle Anordnung der Einspritzposition um ein Ein­ spritzen mit niedrigem Druck zu ermöglichen.
• 4. Durch eine Anordnung zum Einstellen des Ventilhubes und der Federkraft an der Einspritzvorrichtung kann die erforderliche Herstellgenauigkeit gesenkt werden, wo­ durch die Anforderungen an die Einstellung der dynamischen Eigenschaften nach langer Betriebsdauer zufriedenstellend gelöst sind.

Claims (1)

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine, mit einem Einspritzventil, das in der Zylinderwand im Abstand vom Zylinderkopf und gegenüber der Auslaßöffnung angeordnet ist und eine Ausgangsöffnung auf­ weist, wobei die Strahlachse des Einspritzventils auf den Bereich um die im Zylinderkopf angeordnete Zündkerze ge­ richtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil (E) eine magnetbetätigte Ventilnadel (2) mit schraubenförmigen Drallnuten (210) zum Erzeugen einer Drallströmung des Einspritzstrahls aufweist, wobei die Gesamtquerschnittsfläche der Drallnuten (210) um min­ destens die Hälfte kleiner ist als die Querschnittsfläche der Ausgangsöffnung (N) und daß das Einspritzventil (E) oberhalb der Spülöffnung (53) angeordnet und mit seiner Strahlachse auf den in der Zylinderkopfmitte angeordneten Zündpunkt gerichtet ist.