DE69805967T2

DE69805967T2 - Drallerzeuger für kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE69805967T2
Application number: DE69805967T
Authority: DE
Inventors: Wei-Min Ren; David Wieczorek
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2018-01-22
Also published as: WO1998035159A1; DE69805967D1; US5875972A; JP2000509462A; US6039272A; EP0961881B1; KR100342093B1; EP0961881A1; KR20000070784A

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Kraftstoffeinspritzvorrichtungen im allgemeinen und insbesondere direkteinspritzende Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und ganz besonders einen Drallerzeuger zum Erzeugen eines hohlen konischen Kraftstoffstrahls, der von der Einspritzvorrichtung abgespritzt wird.

Hintergrund der Erfindung

Die Kraftstoffstrahlerzeugung ist sehr wichtig, da sie ein Mittel bildet, mit dem sich sehr viel feinere Kraftstofftröpfchen in die Brennkraftmaschine einführen lassen. Das US-Patent Nr. 5 114 077, das am 19. Mai 1992 Mark Cerny erteilt wurde und den Titel "Fuel Injector End Cap" hat, lautet auf den Namen der Anmelderin und befasst sich damit, ein Kraftstoffdurchlecken an der Endkappe einer Hochdruck-Einspritzvorrichtung zu verhindern. Es beschreibt jedoch einen Strahlerzeuger in einer Hochdruck- Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Eine Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung enthält Kraftstoff bei einem Druck von mehr als 4,0 Bar.
In dem '077 Patent ist der Strahlerzeuger angrenzend und stromauf des Ventilsitzteils angeordnet und hat mehrere Kanäle, die in einem geneigten Kanal enden, welcher den Kraftstoff tangential zu dem Nadelventil stromauf des Dichtringes des Ventils in dem Ventilsitzteil richtet.
Ein anderes US-Patent Nr. 5 207 384, das am 04. Mai 1993 John J. Horsting erteilt wurde und mit den Titel "Swirl Generator For An Injector" bezeichnet ist, lautet ebenfalls auf den Namen der Anmelderin. In diesem Patent ist der Drallerzeuger angrenzend an der Auslassöffnung der Einspritzvorrichtung angeordnet. Der Drallerzeuger ist eine zweiteilige Vorrichtung, die in dem konischen Ventilsitz angeordnet ist und in der Weise wirkt, dass er den Kraftstoff tangential zum Ventilsitz führt. Die Funktion des Drallerzeugers ist es, dem Kraftstoff eine Tangentialströmung aufzuprägen und die Menge des Restkraftstoffes in der Einspritzvorrichtung vor dem Öffnen zu minimieren.
Ein drittes Patent, US 5 271 563, das am 21. Dezember 1993 Cerny et al erteilt wurde und den Titel "Fuel Injector With A Narrow Annular Space Fuel Chamber" trägt, lautet auf den Namen der Chrysler Corporation. Dieses Patent lehrt eine Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung, bei der der Kraftstoff tangential zu einem Volumen gerichtet ist, das das Nadelventil stromauf des Ventilsitzes umgibt Wenn das Ventil öffnet, verlässt diese Kraftstoffmenge den Raum, und darauffolgende Kraftstoffmengen werden tangential zu dem Nadelventil gerichtet und unterliegen einer dem Kraftstoff aufgeprägten Drallbewegung.
Ein viertes Patent, die US 5 108 037, offenbart ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem tiefen, profilierten Kraftstoffelement, das einen axialen Kraftstoffleitkanal und einen damit verbundenen radialen Leitkanal aufweist, um den Kraftstoffstrom aufzuteilen und dadurch ein Gemisch aus drallbehaftetem und drallfreiem Kraftstoff aus einem Kraftstoffeinspritzteil des Kraftstoff-Einspritzventils abzugeben.
Ferner offenbaren die US-A 4 971 254 und JP-A-56075955 Drallerzeuger für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer oder zwei Scheiben.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen: ein Drallerzeuger für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Nadelventil, welcher Drallerzeuger aufweist: eine erste Scheibe mit einer zentralen Öffnung zum Führen des Nadelventils; eine zweite ebene Scheibe stromab der ersten Scheibe, welche zweite ebene Scheibe eine zentrale Öffnung und tangential zu der zentralen Öffnung verlaufende Schlitzmittel hat, welche Schlitzmittel sich durch die volle Tiefe der zweiten ebenen Scheibe erstrecken; und ein Ventilsitzteil mit einer stromaufwärtigen Fläche, einer stromabwärtigen Fläche, einem Konusring, der einen Ventilsitz bildet, welcher sich von der stromaufwärtigen Fläche aus erstreckt und zu der zentralen Öffnung der ersten und zweiten Scheibe axial ausgerichtet ist, wobei der Konusring eine axial verlaufende Öffnung hat, die sich von der Apex des Konusringes zu der stromabwärtigen Fläche erstreckt.
Ein Hauptvorteil der Erfindung ist es, einen feinen, hohlen, konusförmigen Kraftstoffstrom zu entwickeln der von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung abgegeben wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es. Hochdruckkraftstoff, der in den Zylinder einer Brennkraftmaschine strömt, zu steuern, und zwar mit einem resultierenden feinzerstäubten Kraftstoff zwecks Verbesserung der Verbrennung des Kraftstoffes im Zylinder.
Diese und weitere Vorteile werden aus den beigefügten Zeichnungen in Verbindung mit der detaillierten Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung deutlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen ist:
Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung entlang ihrer Längsachse;
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Ventilsitzteils, das den Drallerzeuger umfasst;
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine der Dosierscheiben;
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Führungsscheibe; und
Fig. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel der Scheibe in Fig. 4.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Unter Bezugnahme auf die Figuren mittels der Bezugszeichen ist in Fig. 1 der Längsschnitt einer Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Nicht dargestellt in Fig. 1 ist der Klarheit wegen der Kraftstoffeinlass mit einem Kraftstofffilter und einem verstellbaren Kraftstoffeinlassrohr, das in Längsrichtung verstellbar ist, um die Länge der Ankervorspannfeder zu ändern. Außerdem vorgesehen ist ein Verbinder zum Verbinden der Magnetspule mit einer elektrischen Potentialquelle und ein O-Ring zum abgedichteten Verbinden des Kraftstoffeinlasses mit einem Kraftstoffverteiler oder einem Kraftstoffzuführteil.
In Fig. 1 ist dargestellt: das Kunststoff-Angussteil 12, das Gehäuseteil 14, der Spulenträger 16 mit der darum gewickelten Spule 18, das Einlassrohr oder der Stator 20, das Verstellrohr 22, die Ankervorspannvorrichtung 24, der Anker 26, die Ventilgehäuseschale 28, das Ventilgehäuse 30, die obere Ankerführung 32, der Kraftstoffkanal 34 durch das Ventilgehäuse, das Nadelventil 36, der Drallerzeuger 38 und der Ventilsitz 40 in dem Ventilsitzteil 42. Der Kraftstoffauslass der Einspritzvorrichtung ist der Auslass des Kraftstoffkanals im Ventilsitz.
Die Fig. 1 stellt eine Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Drallerzeuger 38 dar. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 hat ein angegossenes Kunststoffteil 12, das ein metallisches Gehäuseteil 14 umgibt. Das Gehäuseteil 14 umschließt eine elektromagnetische Quelle mit einem Spulenträger 16, um den eine Spule 18 gewickelt ist. Die Enden der Spule 18 sind durch einen Verbinder mit einer elektrischen Potentialquelle wie z. B. einer elektrischen Steuereinheit (ECU) verbunden. Am oberen Ende des Einlassrohres 20, das als Stator dient, befindet sich ein Filter zum Ausfiltern von Teilchen aus der Kraftstoffquelle. Innerhalb des Einlassrohres 20 befindet sich ein Verstellrohr 22, das zum Verstellen des Fluidstroms der Einspritzvorrichtung verwendet wird.
Ein Ventilgehäuse 30 wird von einer Ventilgehäuseschale 28 umschlossen und hat eine obere Ankerführung 32 an seinem Einlassende. Ein axial verlaufender Kraftstoffkanal 34 verbindet das Einlassende der Einspritzvorrichtung mit dem Auslassende des Ventilgehäuses 30, das an einem Ventilsitzteil 42 endet. Kraftstoff strömt zwischen dem Einlassende des Gehäuses und dem Ventilsitzteil 42.
Der Anker 26 ist mit dem Einlassrohr bzw. Stator 20 in der Nähe des Einlassendes des Ventilgehäuses 30 magnetisch gekoppelt. Der Anker 26 wird bei seiner Hin- und Herbewegung von der Ankerführung 32 gerührt und spricht auf eine von der Spulenanordnung 18 erzeugte elektromagnetische Kraft an, um den Anker auf der Längsachse des Ventilgehäuses 30 axial hin- und herzubewegen. Die elektromagnetische Kraft wird erzeugt durch den von einer ECU herrührenden Stromfluss durch den Verbinder zu den Enden der um den Spulenträger 16 gewickelten Spule 18.
Das Ventilsitzteil 42 am Auslassende des Ventilgehäuses 30 bindet eine Dichtungspassung mit dem Ventilgehäuse 30 am Ende eines axial verlaufenden Strömungskanals 34 in dem Ventilgehäuse 30. Stattdessen kann ein O-Ring zur Übernahme der Dichtungsfunktion verwendet werden. Kraftstoff strömt von dem Kraftstoffeinlass durch das Filter und entlang der Innenseite des Verstellrohres 22 und der Ankervorspannvorrichtung 24. Von der Feder 24 strömt der Kraftstoff in den Anker 26 und durch einen Auslass zu dem Kraftstoffkanal 34 in dem Ventilgehäuse 30.
Ein Nadelventil 36 ist mit dem Anker 26 verbunden bzw. gekoppelt und wirkt in der Weise, dass es den Kraftstoffkanal 34 in dem Ventilsitzteil 42 öffnet und schließt, um den Kraftstoffstrom durch denselben zu unterbinden. Eine erste und eine zweite Scheibe 44,46, die einen Drallerzeuger 38 bilden, sind mit der stromaufwärtigen Seite des Ventilsitzteils 42 verbunden, um eine Tangentialströmung durch die untere Scheibe 46 zu der Ventilnadel 36 zu bilden. Kraftstoff strömt von dem Kraftstoffkanal 34 zu dem Ventilsitzteil 42.
Der Kraftstoffkanal in dem Ventilsitzteil 42 hat einen Konusring 50, der zwischen der stromaufwärtigen Seite 52 und der stromabwärtigen Seite 54 des Ventilsitzteils 42 verläuft. Das Nadelventil hat eine gekrümmte Oberfläche 56, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine sphärische Oberfläche ist, wenngleich andere Oberflächen verwendet werden können, zwecks Zusammenwirken mit dem Konusring 50 an einem kreisförmigen Band 57. Dieses kreisförmige Band 57 verläuft entlang des Konusrings 50 oder Ventilsitzes 40 zwischen der stromaufwärtigen Seite des Ventilsitzteils 42 und der Verbindungsstelle zwischen dem Konusring 50 und der axial verlaufenden Öffnung 58 in den Ventilsitzteil 42. Wenn die gekrümmte Fläche 56 des Nadelventils 36 mit dem kreisförmigen Band 57 an dem Konusring 50 zusammenwirkt, wird Kraftstoff daran gehindert, durch den Ventilsitz 40 zu strömen.
Die axial verlaufende Öffnung 58 verläuft von der Apex des Konusrings 50 zur stromabwärtigen Seite des Ventilsitzteils 42. Bei einem Ausführungsbeispiel ist dies eine zylindrische Fläche mit einem Rand, der eine schärfer gerundete Fläche ist, d. h. eine Fläche mit einem kleinen Radius.
Die Scheiben 44, 46 umfassen eine in Fig. 4 dargestellte stromaufwärtige oder Führungsscheibe 44 mit mehreren winkelmäßig beabstandeten, in Umfangsrichtung verlaufenden Öffnungen 60 zwischen dem Umfang der Scheibe 44 zum Zuführen von Fluid zu der stromabwärtigen Scheibe 46 und einer zentralen Öffnung 62 zum Führen des Nadelventils 36. Die stromabwärtige Scheibe 46, die in Fig. 3 dargestellt ist, hat eine gleiche Anzahl von Schlitzen 64, die tangential zu der zentralen Öffnung 63 von vier Öffnungen 64 aus verlaufen, um das Fluid axial ausgerichtet zu den Öffnungen 60 in der stromaufwärtigen Scheibe zu dosieren und um den Kraftstoffstrom vom Kraftstoffkanal 34 zum Ventilsitzteil 42 zu führen und zu dosieren.
Die Fig. 2 stellt den vervollständigten Drallerzeuger 38 dar, der an dem Ventilgehäuseteil 42 angebracht ist. Das Nadelventil 36 ist, wie gezeigt, in der zentralen Öffnung 62 der stromaufwärtigen Scheibe 44 geführt.
Der Kraftstoff, der von der Öffnung 58 in dem Ventilsitzteil 42 zu dem Kraftstoffauslass der Einspritzvorrichtung 10 strömt, tritt in einem hohlen konischen Kraftstoffstrom aus. Wenn die Einspritzvorrichtung 10 betätigt wird, wird Kraftstoff in die zwischen dem Nadelventil 36 und dem Ventilsitz 40 und stromauf des kreisförmigen Bandes 57 gebildete Wirbelkammer gefördert, wobei er durch die tangentialen Schlitze 64 ein hohes Winkelmoment erfährt. Der Kraftstoffstrom trifft auf das Nadelventil 36 stromauf des kreisförmigen Bandes 57 auf. Wenn der Kraftstoff längs des Konusrings 50 weiter stromab strömt, wird seine Winkelgeschwindigkeit größer. Diese Geschwindigkeitserhöhung hat die Wirkung, den Kraftstoff zu zerstäuben. Der Kraftstoff trennt sich dann von der Innenfläche des Nadelventils 36 aufgrund einer Grenzschichtablösung. Die höhere Winkelgeschwindigkeit wirkt mit dem Wirbelbereich hinter bzw. stromab dem Ende des Nadelventils 36 zusammen, um eine stabile Wirbelströmung mit Luftkern zu erzeugen. Der rotierende Kraftstoff strömt durch die Auslassöffnung 58 des Ventilteils 42 und tritt aus dem Ventilsitzteil in Form einer zerstäubten hohlen konischen Kraftstoffscheibe aus. Wenn der Kraftstoff durch die Schlitze 64 strömt, bildet er stromauf des kreisförmigen Bandes 57 ein Drallmuster, wenn sich das Nadelventil 36 in Abhängigkeit von der Hin- und Herbewegung des Ankers 26 unter dem Einfluss der Spule 18 getrennt hat.
In Fig. 5 ist ein topfförmiges Führungsteil 68 dargestellt, das eine axial ausgerichtete zentrale Öffnung 70 zum Führen des Nadelventils 36 bei seiner Hin- und Herbewegung hat. In Fig. 1 ist das Teil 72 ein rohrförmiges Teil, das zum Positionieren der oberen Scheibe 44 dient. Es ist wesentlich, dass der Drallerzeuger 38 und das Ventilsitzteil 42 eine strömungsmitteldichte Anordnung (Fig. 2) bilden, die an dem axial verlaufenden Abschnitt des Teils 68 bzw. 72 anliegt und in der Einspritzvorrichtung 10 durch Befestigungsmittel wie z. B. Laserschweißen befestigt ist.
Stattdessen können die Dosierscheiben jeweils eine axial gerichtete zentrale Öffnung 63 haben. Der Außenumfang der Führungsscheibe 44 hat einen Durchmesser, der kleiner als der Außendurchmesser des Ventilsitzteils 42 ist, um die axiale Positionierung des Nadelventils 36 und des Ventilsitzes 40 zu unterstützen. Es ist wichtig, dass die winkelmäßig beabstandeten, in Umfangsrichtung verlaufenden Öffnungen 60 in den Scheiben 44, 46 axial auf einer Linie liegen und dass die zentralen Öffnungen 62 ausgerichtet sind.
Es wurde somit eine Hochdruck-Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit Drall offenbart, wie sie bei fremdgezündeten Benzinmotoren mit Direkteinspritzung verwendet werden. Die Funktion der Einspritzvorrichtung ist es, die richtige Menge an Kraftstoff in kleine Tropfen aufzuteilen und sie in das umgebende gasförmige Medium in Form eines symmetrischen gleichförmigen Strahls abzugeben. Der Abgabekoeffizient und der Strahlkonuswinkel sind zwei wichtige Eigenschaften einer Drall-Einspritzvorrichtung. Der Abgabekoeffizient bestimmt die statische Durchflussrate. Der Konuswinkel beeinflusst unmittelbar die Flüssigfilmdicke und das Ausmaß, in welchem der Strahl der umgebenden Luft ausgesetzt ist. Normalerweise führt eine Vergrößerung des Strahlkonuswinkels zu einer besseren Zerstäubung, einer besseren Durchmischung von Kraftstoff und Luft sowie einer besseren Dispersion der Kraftstofftropfen im gesamten Verbrennungsvolumen.

Claims

1. Drallerzeuger (38) für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (10) mit einem Nadelventil (36), welcher Drallerzeuger (38) aufweist:

eine erste Scheibe (44) mit einer zentralen Öffnung (62) zum Führen des Nadelventils (36);

eine zweite ebene Scheibe (46) stromab der ersten Scheibe (44), welche zweite ebene Scheibe (46) eine zentrale Öffnung (63) und tangential zu der zentralen Öffnung (63) verlaufende Schlitzmittel (64) hat, welche Schlitzmittel (64) sich durch die volle Tiefe der zweiten ebenen Scheibe (46) erstrecken; und

ein Ventilsitzteil (42) mit einer stromaufwärtigen Fläche (52), einer stromabwärtigen Fläche (54), einem Konusring (50), der einen Ventilsitz bildet, welcher sich von der stromaufwärtigen Fläche (52) aus erstreckt und zu der zentralen Öffnung (62, 63) der ersten und zweiten Scheibe (44, 46) axial ausgerichtet ist, wobei der Konusring (50) eine axial verlaufende Öffnung (58) hat, die sich von der Apex des Konusringes (50) zu der stromabwärtigen Fläche (54) erstreckt.

2. Drallerzeuger (38) nach Anspruch 1, bei dem der Konusring (50) so ausgebildet ist, dass er an eine gekrümmte Fläche (56) des Nadelventils (36) auf einem kreisförmigen Band (57) des Konusrings (50) angepasst ist.

3. Drallerzeuger (38) nach Anspruch 2, bei dem die gekrümmte Fläche (56) an dem Nadelventil (36) sphärisch ist.

4. Drallerzeuger (38) nach Anspruch 2, bei dem die das Ventilsitzteil (42) verlassende Kraftstoffströmung ein hohler konischer Kraftstoffstrom ist, wobei sich der durch das Ventilsitzteil (42) strömende Kraftstoff sich von dem Nadelventil (36) trennt, wenn er in das stromaufwärtige Ende der axial verlaufenden Öffnung (58) eintritt.

5. Drallerzeuger (38) nach Anspruch 2, bei dem der Kraftstoffstrom ein Drallmuster stromauf des kreisförmigen Bandes (57) bildet, wenn sich das Nadelventil (36) von dem kreisförmigen Band (57) in Abhängigkeit von einer Hin- und Herbewegung eines Ankers (26) des Kraftstoffeinspritzventils (10) getrennt hat.

6. Drallerzeuger (38) nach Anspruch 2, bei dem die zweite Scheibe (46) dem in Richtung auf die axial verlaufende Öffnung (58) strömenden Kraftstoff einen tangenti alen Strömungsverlauf verleiht, wobei die Tangentialströmung auf das Nadelventil (36) stromauf des kreisförmigen Bandes (57) auftrifft.

7. Drallerzeuger (38) nach Anspruch 1, bei dem die zentrale Öffnung (62) der ersten Scheibe (44) axial ausgerichtet ist und als Führungsteil zum Führen eines Nadelventils (36) der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (10) bei seiner Hin- und Herbewegung dient.

8. Drallerzeuger (38) nach Anspruch 7, bei dem die erste Scheibe (44) einen Außenumfang hat, dessen Durchmesser kleiner als der Außendurchmesser des Ventilsitzteils (42) ist.

9. Drallerzeuger (38) nach Anspruch 2, bei dem die Seitenwand der axial verlaufenden Öffnung (58) in dem Ventilsitzteil (42) von dem kreisförmigen Band (57) bis zu einem Auslass der Kraftstoffeinspritzvorrichtung (10) ein veränderliches Durchmesserprofil hat, um eine glatte divergierende Oberfläche zu bilden.