DE69838520T2

DE69838520T2 - Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE69838520T2
Application number: DE69838520T
Authority: DE
Inventors: Koji Toyohira-ku Shibata; Yasuo Namaizawa; Atsushi Sekine; Yuichi Sasaki; Tohru Ishikawa
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-11-20
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2018-11-21
Also published as: EP0918155A2; CN1138918C; EP1469194A1; CN1356464A; CN1356456A; CN1356457A; CN1186527C; EP0918155A3; JP3771361B2; CN1218137A; CN1818371A; US6092743A; DE69826964T2; CN1356459A; CN1356458A; EP0918155B1; KR19990045584A; DE69826964D1; EP1867869A1; CN1356461A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil (Düse) für einen Motor des Direkteinspritztyps, bei dem Kraftstoff direkt in den Zylinder des Motors eingespritzt wird.
Was Benzinmotoren betrifft, die solche gesellschaftlichen Bedürfnisse wie hohe Leistung, hoher Kraftstoff-Wirkungsgrad und niedrige Um Weltverschmutzung erfüllen, sind Motoren bekannt, die Kraftstoffeinspritzventile des Direkteinspritztyps (Benzinmotor des Direkteinspritztyps) verwenden. Obwohl das grundlegende Konzept dieses Benzinmotors vor vielen Jahren entstand, sind noch viele Probleme geblieben, die gelöst werden müssen, beispielsweise die Hochdruckeinspritzungstechnologie, die Druckdichte und Hitzebeständigkeit, um jene Motoren zur Einspritzung von Kraftstoffen direkt in die Brennkammer auszustatten, allerdings ermöglicht der Stand der Technik auf diesem Technologiegebiet eine Massenherstellung durch die heutigen Fortschritte in der Steuerungstechnologie und Produktionstechnologie und somit begeben sich die einzelnen Autohersteller in die Produktionsphase auf industrieller Basis oder in die experimentelle Herstellungsphase auf Forschungs- und Entwicklungsbasis.
Das Kraftstoffeinspritzventil des Direkteinspritztyps besteht aus einer Düse mit einem Kraftstoffeinspritzkanal, der der Kraftstoffkammer (dem Zylinder innerhalb des Motors) direkt gegenüber liegt, einem Ventilkörper zum Öffnen und Schließen des Kraftstoffkanals, einer Magnetspule zum Schließen des Ventilkörpers (zum Ansaugen), einer Feder zum Schließen des Ventils und einem Joch und einem Kern zum Bilden des Magnetstromkreises. Außerdem sind ein Verwirbler (Kraftstoffverwirbelungseinrichtung) zum Zuführen einer Verwirbelungskraft zum Kraftstoff stromaufwärts des Ventilsitzes und eine Federeinstelleinrichtung zum Einstellen der Menge der dynamischen Kraftstoffeinspritzung enthalten.
Es gehört zu einem Strukturkennzeichen dieses Kraftstoffeinspritzventils des Direkteinspritztyps, dass, wenn der Kraftstoffdruck einen so hohen Wert wie 3 bis 10 MPa erreicht, um die Kornverfeinerung des Kraftstoffsprühnebeltröpfchens (zur Verkürzung der Verdampfungszeit) und den hohen Wirkungsgrad bei der Kraftstoffeinspritzung (zur Verkürzung der Kraftstoffeinspritzzeit) zu erzeugen, die Druckdichte und die Öldichte im Vergleich zu einem Kraftstoffeinspritzventil vom herkömmlichen Einspritztyp, bei dem der Kraftstoffdruck etwa 0,3 MPa beträgt, verbessert werden und dass die Hitzebeständigkeit und die Gasdichte verbessert werden, weil die Düse dem Verbrennungsgas direkt ausgesetzt ist.
Das Kennzeichen und die Form des Kraftstoffsprühnebels, der aus dem Kraftstoffeinspritzventil eingespritzt worden ist, sind beim Verbrennungsvorgang im Kraftstoffmotor des Direkteinspritztyps sehr wichtig. Der Verbrennungsmodus des Motors umfasst die homogene Verbrennung sowie die Schichtverbrennung, und jene Modi sind in 8 gezeigt.
Homogene Verbrennung bedeutet, dass der Kraftstoff während des Ansaughubs des Motorzyklus eingespritzt wird und dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer mit einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (L/K = 15) durch den Verdichtungshub bis zum Zündungs- und Verbrennungsvorgang homogenisiert wird, was den volumetrischen Wirkungsgrad erhöhen kann, da das Benzin die latente Verdampfungswärme aus der Ansaugluft entfernt und die An saugluft abkühlt, und einen höheren Ausstoß erzielen kann als ein Motor mit einem herkömmlichen Einspritzkanal, da die Temperatur des Verbrennungsgases sinkt. Da der Kraftstoff in der Brennkammer vollständig verteilt werden muss, um eine gleichmäßige Verbrennung des sprühvernebelten Kraftstoffs zu erzeugen, ist ein ausgedehnter und gleichmäßiger Kraftstoffsprühnebel (vermischtes Gas) notwendig, und daher wird es bevorzugt, dass die Sprühnebelgeschwindigkeit niedrig ist, so dass der Kraftstoffsprühnebel nicht an der Zylinderwand haftet und sich keine flüssige Membran bildet. Der gleichmäßige Verbrennungsmodus wird zur Beachtung der Motorleistung bei Beschleunigungsvorgängen und Vorgängen mit hoher Last eingesetzt.
Eine Schichtverbrennung ist ein Verbrennungsmodus, bei dem Kraftstoff während des Verdichtungshubs eingespritzt wird und das entflammbare vermischte Gas wird mittels Luftströmen wie zum Beispiel Wirbel- und/oder Taumelströmen rund um die Zündkerze und einen Hohlraum am Kolbenkopf konzentriert, eine Luftschicht bildet sich um das vermischte Gas herum und es wird eine besonders magere Verbrennung erzielt, die den Kraftstoff-Wirkungsgrad bemerkenswert steigern kann. Der Schichtverbrennungsmodus richtet sich auf die Berücksichtigung des Kraftstoff-Wirkungsgrads und wird bei Vorgängen mit geringerer Last und Leerlaufvorgängen eingesetzt. Es wird bevorzugt, dass der Kraftstoffsprühnebel im Schichtverbrennungsmodus kompakt ist, um den Kraftstoffsprühnebel rund um die Zündkerze zu konzentrieren, und im Fall des Kraftstoffsprühnebels wird der Kraftstoff unter hohen Druck gesetzt, da die Streuung des Kraftstoffsprühnebels geringer wird, wenn der Gegendruck steigt.
Konventionellerweise gibt es mehrere alternative Vorschläge für Kraftstoffeinspritzventile zur Erhöhung der Luftbildungsleistung (Kraftstoffkornverfeinerung) und der Verwirbelungsleistung.
So wird zum Beispiel in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 8-296531 (1996) ein in einem hohlen Zylinder ausgebildeter Verwirbler in den unteren Teil im Ventilkörper platziert, und ein Nadelventil wird durch den Innenzylinder eingeführt, damit es mit der Innenfläche des hohlen Zylinders verschiebbar ist, und eine Kraftstoffeinspritzkammer, deren Innenfläche konisch ausgebildet und deren Unterseite sphärisch konkav geformt ist, ist stromabwärts des Ventilsitzes ausgebildet, den das Nadelventil berührt, und ein Einspritzkanal (Kraftstoffeinspritzkanal = Öffnung) ist so ausgebildet, dass er durch die Mitte der Unterseite der Kraftstoffeinspritzkammer nach außen führt; außerdem ist die Ausrichtung des Einspritzkanals zur Achse (Mittellinie) des Ventilkörpers (Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers) verkippt und ein flaches Teil ist auf der Außenseite des Einspritzkanals so ausgebildet, dass es sich im rechten Winkel zum Einspritzkanal befindet.
In der japanischen offengelegten Patenanmeldung Nr. 7-119584 (1995) ist offenbart, dass ein Verwirbler (Kraftstoffverwirbelungseinrichtung) so platziert wird, dass er sich an der Verwirbelungsdüse (Verwirbelungskörper) stromaufwärts des Ventilsitzes befindet, ein als umgekehrter Konus ausgebildetes Ansaugloch stromabwärts des Ventilsitzes ausgebildet ist, ein Einspritzkanal (Kraftstoffeinspritzkanal = Öffnung) auf der Verlängerungslinie vom Ansaugloch ausgebildet ist und dass die Mittellinie des Ansauglochs und die Mittellinie des Einspritzkanals miteinander identisch sind und jene Mittellinien zur Achse der Verwirbelungsdüse (Kraftstoffeinspritz-Ventilkörper) verkippt sind. Bei diesem Stand der Technik erreicht, selbst wenn die Schrägstellung des Einspritzlochs festgelegt wird, der Wirbel das Einspritzloch, während das Rotationszentrum des Wirbels, der auf der zur Mittellinie der Verwirbelungsströmung senkrechten Ebene rotiert, der linearen Ortskurve längs der Mittellinie des Einspritzlochs folgt. Soweit wird der Verwirbelungsverlust im Ansaugloch geringer und der Wirbel mit einer starken Drehkraft wird zum Einspritzloch bewegt, wodurch die Kornverfeinerung des Kraftstoffs gesteigert werden kann und auch die Streuung des Sprühnebels in der Brennkammer größer wird aufgrund der Erhöhung des Sprühnebelwinkels, was alles letztendlich zu einem Anstieg des Wirkungsgrads der Kraftstoffverbrennung führt.
Im Fall eines Motors vom Zylinderdirekteinspritztyp befindet sich der Kraftstoffeinspritz-Ventilkörper des vorstehend beschriebenen Standes der Technik grundsätzlich am oberen Teil des Zylinders, und dadurch, dass der Kraftstoffeinspritzkanal in Richtung des Hohlraums des Kolbenkopfs (an der Position gegenüber der Zündkerze) von der Längsachse des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers verschoben wird und der Kraftstoff mit einer Ablenkung in Richtung des Hohlraums eingespritzt wird, wird die Richtung des Kraftstoffsprühnebels dann im Schichtverbrennungsmodus mittels der Form des Hohlraums zur Zündkerzenseite verschoben.
In der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 5-33739 (1993) ist offenbart, dass eine Luftkammer zwischen der Sprühnebeldüse und der Abdeckung ausgebildet wird, die Zusatzluft aus der Luftkammer in die Verwirbelungskammer in Tangentialrichtung durch das einzelne Lufteinsprühloch eingeführt wird und der Kraftstoff direkt aus dem Einspritzloch in den Motorzylinder eingespritzt wird, während der Einspritzkraftstoff aus dem Einspritzloch zum Verwirbeln gebracht wird.
In der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 6-221249 (1994) wird der Einspritzwinkel von einer von einem Paar Düsen, die in einer einzelnen Brennkammer platziert sind, breiter gemacht als der Einspritzwinkel der anderen jener Düsen; ebenso wird die Düse mit dem kleineren Einspritzwinkel viel näher an der Zündkerze platziert als die Düse mit dem größeren Einspritzwinkel, und die Düse mit dem kleineren Einspritzwinkel wird bei Vorgängen mit geringer Last eingesetzt und die Düse mit dem größeren Einspritzwinkel wird bei Vorgängen mit schwerer Last eingesetzt.
In dem vorstehend beschriebenen Schichtverbrennungsmodus ist es wichtig, den Kraftstoffsprühnebel um die Zündkerze herum zu konzentrieren und im gleichmäßigen Verbrennungsmodus ist es wichtig, den Kraftstoff gleichmäßig und vollständig in den Zylinder zu sprühen; und außerdem wird es bevorzugt, die Korngröße des gesprühten Kraftstoffsprühnebels bei der gleichmäßigen Verbrennung und der Schichtverbrennung allgemein kleiner zu machen, um die Zeit zur Verdampfung zu verkürzen. Daneben ist es erforderlich, die Verteilung in der Menge des eingespritzten Kraftstoffs zu verringern.
Bei einem Verbrennungsmotor, bei dem Kraftstoffe direkt in den Zylinder (die Brennkammer) eingespritzt werden, beeinflussen die Richtung, Form, Strömungsrate und Strömungsgeschwindigkeit (die zurücklegbare Entfernung des Kraftstoffsprühnebels) des durch das Kraftstoffeinspritzventil eingespritzten Kraftstoffsprühnebels stark die Konzentrationsverteilung der vermischten Luft in der Brennkammer zum Zeitpunkt der Zündung und wirken sich letztlich auf die Motorleistung aus.
US-A-5 533 482 betrifft eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einer Verwirbelungseinrichtung, bei der eine Einspritzöffnung mit einer Mittelachse von einer Mittelachse des Kraftstoffeinspritzventils versetzt und in Bezug auf diese geneigt ist. Des Weiteren ist der Endabschnitt des Kraftstoffeinspritzventils durch eine schräge Ebene gebildet.
Das Dokument US-A-5 170 945 betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einem Ventilsitzteil, das in einem Gehäuse angeordnet ist. Des Weiteren ist ein Durchgangsloch in einem Teil gezeigt, das Führung für ein Nadelventilteil vorsieht, das proximal zu einem Kopfende angeordnet ist.
US-A-5 054 691 zeigt eine elektromagnetbetätigte Einspritzvorrichtung mit einem Schraubenblock, der am Ende eines Durchgangslochs mit einem Abschnitt mit vergrößerter Höhe vorgesehen ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorstehenden Überlegung ist es bei der Verbrennung in dem Motor mit Zylinderdirekteinspritzung erforderlich, die Eigenschaften (die Richtung, Form, Strömungsrate und Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des Kraftstoffsprühnebels, der vom Kraftstoffventil eingespritzt wurde, in Ansprechung auf die vorstehend beschriebenen Erfordernisse zu erzeugen.
Es ist ein Ziel der vorstehenden Erfindung, ein Kraftstoffeinspritzventil für einen Verbrennungsmotor des Direkteinspritztyps zur Verfügung zu stellen, der die Kraftstoffsprühnebelmodi einzeln optimiert für den Schichtverbrennungsmodus und den gleichmäßigen Verbrennungsmodus mit einem einzigen Kraftstoffeinspritzventil einrichtet, die Meilenleistung und die Motorleistung steigert und eine stabile Motorleistung in einem breiten Motordrehzahlbereich erbringt.
Das hier vorgeschlagene Erfindungsprinzip zur Lösung der vorstehenden Probleme ist durch Anspruch 1 definiert. Außerdem wird, was bevorzugte Ausführungsformen des Kraftstoffeinspritzventils betrifft, die für den Benzinmotor vom Direkteinspritztyp geeignet sind, das in den Ansprüchen ab dem zweiten beschriebene Kraftstoffeinspritzventil vorgeschlagen. Dieses wird in den bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben.
Bei einem Kraftstoffeinspritzventil für Verbrennungsmotoren des Direkteinspritztyps mit einer Kraftstoffverwirbelungseinrichtung zum Aufbringen einer Verwirbelungskraft stromaufwärts eines Ventilsitzes auf einen durch einen Umgebungsbereich eines Ventilkörpers strömenden Kraftstoffstrom und einer Düse zum Einspritzen des verwirbelten Kraftstoffs kann ein aus dem Einspritzkanal der Düse eingespritzter Kraftstoffsprühnebel so ausgebildet sein, dass die Ausrichtung des Kraftstoffsprühnebels in eine bestimmte Richtung in Bezug auf die Längsachse des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers abgelenkt wird, die erreichbare Entfernung des Kraftstoffsprühnebels an der abgelenkten Seite länger ist und die erreichbare Entfernung des Kraftstoffsprühnebels auf der anderen Seite gegenüber der abgelenkten Seite kürzer ist.
Nach Maßgabe des vorstehenden Aufbaus wird es selbst in dem Fall, dass das Kraftstoffeinspritzventil 1 am oberen Teil des Zylinders 40, wie in 6A gezeigt, in einem solchen Winkel angebracht ist, dass die Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers die Längsachse A des Zylinders schneidet (dieser Schnittpunkt weist eine dreidimensionale oder zweidimensionale Geometrie auf), mit anderen Worten, selbst wenn das Kraftstoffeinspritzventil 1 in einem Winkel in Bezug auf die zur Langsachse A des Zylinders vertikale Ebene B eingebaut ist, ermöglicht, Kraftstoffsprühnebel direkt in den Zylinder 40 einzuspritzen, der in Richtung der Zündkerze 41 in Bezug auf die Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers abgelenkt ist. Zusätzlich zu dem in Richtung der Zündkerze wie vorstehend beschriebenen abgelenkten Sprühnebel ist es imstande, die zurücklegbare Entfernung L1 des in Richtung der Zündkerze abgelenkten Sprühnebels zu verlängern und die zurücklegbare Entfernung L2 des Sprühnebels auf der gegenüberliegenden Seite des abgelenkten Sprühnebels zu verkürzen.
Nach Maßgabe eines solchen abgelenkten Kraftstoffsprühnebels ist das Ausmaß, mit dem der Kraftstoffsprühnebel im Schichtverbrennungsmodus direkt um die Zündkerze herum konzentriert wird, erhöht. Wenn die Kraftstoffeinspritzung im Schichtverbrennungsmodus im Verdichtungshub ausgeführt wird, in dem die Motorbrennkammer (im Zylinder) stark mit Druck beaufschlagt wird, verringert sich die Streuung des Kraftstoffsprühnebels. Obwohl diese Neigung zur engeren Streuung des Kraftstoffsprühnebels zur Erzeugung einer kompakten Region zur Ausbildung eines Luftgemisches unvermeidlich ist, kann keine gut konditionierte Region zum Ausbilden eines Luftgemisches erhalten werden, wenn die Streuung des Kraftstoffsprühnebels zu eng wird. Da es in der vorliegenden Erfindung möglich ist, den Kraftstoffsprühnebelbereich zu erweitern und dann den Sprühnebelwinkel im Verhältnis zur Ablenkung der Sprühnebelrichtung in Richtung der Zündkerze auszudehnen, kann vermieden werden, dass die Streuung des Kraftstoffsprühnebels enger wird als erforderlich, und dann kann ein kompakter Kraftstoffsprühnebel erhalten werden, um den Kraftstoffsprühnebel korrekt um die Zündkerze herum zu konzentrieren. Obwohl die Kraftstoffeinspritzung im gleichmäßigen Verbrennungsmodus beim Ansaughub erfolgt, wenn der Innendruck des Zylinders niedriger ist und ein gestreuter Kraftstoffsprühnebel erhalten werden kann, ist es möglich, den Kraftstoffsprühnebelbereich (Kraftstoffsprühnebelwinkel) stärker als zuvor im Verhältnis zur abgelenkten Sprühnebelrichtung in Richtung der Zündkerze zu erweitern und die gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs im Zylinder zu erhöhen.
Selbst in dem Fall, dass der Winkel β1 der gewünschten Sprühnebelrichtung (β1 ist ein Winkel, der zwischen der zur Längsachse A des Zylinders senkrechten Ebene B und der Mittellinie D des Kraftstoffsprühnebels, wie in 7 gezeigt, definiert ist) aufgrund der Beschränkung des Motoreinbauwinkels nur durch den Motoreinbauwinkel β2 des Kraftstoffeinspritzventils 1 (β2 ist ein Winkel, der zwischen der zur Längsachse A des Zylinders senkrechten Ebene B und der Mittellinie C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers, wie in 7 gezeigt, definiert ist) nicht verwirklicht werden kann, da der Kraftstoffsprühnebel in Richtung der Zündkerze in Bezug auf die Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers abgelenkt wird, kann der Winkel β1 der gewünschten Sprühnebelrichtung durch Einsatz des Sprühnebelablenkungswinkels β3 und des Kraftstoffeinspritzventil-Einbauwinkels β2 ermittelt werden.
Zusätzlich zu dem in Richtung der Zündkerze abgelenkten Sprühnebel kann in dem Fall, dass die zurücklegbare Entfernung L1 des Sprühnebels, der in Richtung der Zündkerze abgelenkt wird, verlängert werden soll und die zurücklegbare Entfernung L2 des Sprühnebels auf der entgegengesetzten Seite des abgelenkten Sprühnebels verkürzt werden soll, der Sprühnebel, der L1 für die längere zurücklegbare Entfernung entspricht, zu einer schnellen Komponente zur Erzeugung einer höheren Zündleistung werden, und der Sprühnebel, der L2 für die kürzere zurücklegbare Entfernung entspricht, trägt zur Vermeidung eines Anhaftens am Zylinderkopf aufgrund der kurzen Reichweite des Sprühnebels bei, und wird zu einer Komponente nied riger Geschwindigkeit zur Unterdrückung des unverbrannten Kraftstoffs und zur Verringerung der Ruß- und Rauchabgabe.
Gemäß den vorstehenden Vorgängen kann eine für die Schichtverbrennung erforderliche besonders magere Verbrennung verwirklicht werden und es können eine für den gleichmäßigen Verbrennungsmodus erforderliche Ausgangsleistungsverbesserung und eine geringere Rauchabgabe verwirklicht werden.
Falls die gewünschte Sprühnebelrichtung des Kraftstoffeinspritzventils und sein Einbauwinkel einander angepasst werden, ist der abgelenkte Sprühnebel nicht erforderlich, aber in diesem Fall wird der Einspritzkanal der Düse nicht abgelenkt, sondern darf den einzuspritzenden Kraftstoffsprühnebel so einstellen, dass die zurücklegbare Strecke des Sprühnebels rund um die Zündkerze langer sein kann und die zurücklegbare Strecke des Sprühnebels auf der gegenüberliegenden Seite des abgelenkten Sprühnebels kürzer sein kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die ein Beispiel für ein Kraftstoffeinspritzventil zeigt.
2 ist eine Erläuterungszeichnung, die den Umgebungsbereich des Düsenteils des in 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzventils zeigt.
3A ist eine vertikale Querschnittsansicht, die den einzelnen Körper der in dem obigen Kraftstoffeinspritzventil verwendeten Düse selbst zeigt.
3B ist eine Zeichnung der Unterseite.
4 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des wichtigen Teils der 3A.
5 ist eine Projektionszeichnung, entlang der Linie X-X' der 2.
6A ist eine Zeichnung zur Erläuterung, die ein Beispiel für die Verwendung des Kraftstoffeinspritzventils der vorliegenden Erfindung bei Benzinmotoren vom Direkteinspritztyp zeigt.
6B ist eine Zeichnung, die den Umgebungsbereich des Düsenteils des Einspritzventils zeigt.
7 ist eine Zeichnung zur Erläuterung, die die Beziehung zwischen der Zielsprühnebelrichtung des Kraftstoffsprühnebels und dem Einbauwinkel des in dem obigen Verbrennungssystem verwendeten Kraftstoffeinspritzventils zeigt.
8 ist eine Zeichnung zur Erläuterung des Schichtverbrennungsmodus und des gleichmäßigen Verbrennungsmodus.
9 ist eine Zeichnung zur Erläuterung zwischen der Strecke y vom Ventilsitz bis zum Einlass des Kraftstoffeinspritzkanals und der Strecke z vom Ventilsitz zum oberen Ende des Ventilkörpers.
10 ist eine Teilansicht im Querschnitt, die ein anderes Beispiel für die obige Düse zeigt.
11 ist eine Teilansicht im Querschnitt, die ein weiteres Beispiel für die obige Düse zeigt, das nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
12 ist eine Teilansicht im Querschnitt, die ein weiteres Beispiel für die obige Düse zeigt, das nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
13 ist eine Teilansicht im Querschnitt, die ein weiteres Beispiel für die obige Düse zeigt.
14 ist eine Zeichnung zur Erläuterung, die ein anderes Beispiel für den Sprühstatus der Düse zeigt.
15 ist eine Zeichnung zur Erläuterung, die ein weiteres Beispiel für den Benzinmotor vom Direkteinspritztyp zeigt.
16 ist eine vertikale Ansicht im Querschnitt, die ein weiteres Beispiel des Kraftstoffeinspritzventils zeigt.
17A ist eine vertikale Ansicht im Querschnitt, die einen einzelnen Körper der Düse selbst zeigt, die in dem obigen in 16 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil verwendet wird.
17B ist deren vergrößerte Ansicht im Querschnitt.
18 ist eine Zeichnung zur Erläuterung, die das Verhalten der Kraftstoffströmung in der Düse mit Verwirbelungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
19 ist eine Zeichnung zur Erläuterung, die das Verhalten der Kraftstoffströmung in der Düse mit Verwirbelungen des Stands der Technik zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In Beziehung zu einer Ausführungsform der Erfindung ist 1 eine vertikale Querschnittsansicht des Kraftstoffeinspritzventils, das in dem Motor (Benzinmotor) des Direkteinspritztyps verwendet wird, 2 ist eine Zeichnung zur Erläuterung, die den Einspritzstatus des Kraftstoffsprühnebels als vergrößerte Ansicht des Düsenteils in 1 zeigt, 3A ist eine vertikale Querschnittsansicht des Düsenkörpers, der in dem in 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzventil verwendet wird, 3B ist eine Ansicht des Düsenkörpers von unten, 4 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht, die das Ventilsitzteil und die Umgebung des in 3A gezeigten Kraftstoffeinspritzkanals zeigt, und 5 ist eine horizontale Querschnittsansicht der Verwirbelungsöffnung im Inneren des Düsenkörpers, und zwar gesehen von der Linie X-X' in 2.
Das in 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzventil 1 ist ein Beispiel für ein Kraftstoffeinspritzventil, das eine als Aktuator verwendete Magnetspule einsetzt. Als Magnetschaltungskomponenten für den Aktuator sind ein fester Kern 2, ein Joch (Gehäuse) 3 und ein beweglicher Kern (Kolben) 4 vorgesehen.
Der feste Kern 2 ist ein länglicher hohler Zylinder und weist einen Flansch 2A in seiner Achsenrichtung auf, und die untere Hälfte unter dem Flansch 2A ist in das Joch 3 eingefügt. Der Flansch 2A befindet sich mit dem offenen Kanal am oberen Teil des Jochs 3 in Eingriff, und durch Druckbeaufschlagung des Randteils des offenen Kanals am oberen Teil des Jochs 3 und Erzeugung einer plastischen Strömung, die durch das Symbol 50 gezeigt ist, werden der feste Kern 2 und das Joch 3 plastisch verbunden. Diese Bindung kann durch Anwendung von Befestigungskräften hergestellt werden. Der Anschluss 8 der Magnetspule 10 ist am Flansch 2A vorgesehen.
In dem festen Kern 2 ist ein Kraftstoffkanal 5 so ausgebildet, dass er den festen Kern 2 in Axialrichtung durchdringt, und eine Rückstellfeder 6 des beweglichen Kerns 4 wird an einem Ende des Kraftstoffkanals 5 (dem Endteil gegenüber dem Kraftstoffeinströmteil) eingefügt, und dem beweglichen Kern 4 wird durch die Rückstellfeder in der Ventilschließrichtung (in Richtung des Ventilsitzes 7) Energie zugeführt. In dem festen Kern 3 ist eine hohle Federeinstellvorrichtung 8 zum Einstellen der Federkraft der Rückstellfeder 6 vorgesehen, und das Innere der Einstellvorrichtung 8 bildet einen Teil des Kraftstoffkanals 5.
Die Magnetspule 10 ist mit ausgeformtem Harz bedeckt und ein Teil des festen Kerns 2 wird in den Spulenkörper 10A der Magnetspule eingefügt und darin befestigt, und die Magnetspule 10 ist in dem zylindrischen Joch 3 ebenso wie ein Teil des festen Kerns 2 vorgesehen. Das ausgeformte Harz 11 schützt die Magnetspule 10 und verhindert Leckstrom. Eine Komponente 18 ist ein Abdichtungsring, um zu verhindern, dass Kraftstoff in die Spulenanordnung strömt.
Ein elektrisches Signal zum Antreiben der Magnetspule 10 wird durch den Anschluss 9 auf die Magnetspule 10 aufgebracht. Der Anschluss 9 ist in dem über dem Joch 4 platzierten Formharzkörper eingeschlossen, und sein eines Ende befindet sich am Verbindungsteil 20A und bildet damit den Verbindungsanschluss.
Eine hohle zylindrische Düse mit einem Boden (Düsenkörper) 15 ist am unteren Teil des Jochs 3 befestigt. Eine Öffnung 17, die als Ventilsitz 7 dient, und der Kraftstoffeinspritzkanal sind am unteren Teil der Düse 15 vorgesehen, und ein Kraftstoffverwirbelungselement (nachfolgend auch als Verwirbler bezeichnet), das vom Innenboden der Düse getragen wird, ist in der Düse 15 platziert. Der Verwirbler 16 befindet sich stromaufwärts des Ventilsitzes 7.
Ein Führungsloch (Mittelloch) für das Kugelventil (Ventilkörper) wird in der Mitte des Verwirblers 16 platziert, und Kraftstoffkanäle 16B und 16B' zur Verbindung zwischen dem Kraftstoffkanal 14 in der Düse 15 und dem Führungsloch 16A sind am peripheren und unteren Teil des Verwirblers 16 ausgebildet.
5 zeigt eine projizierte Ansicht des Verwirblers 16, der von seinem unteren Teil und von der Linie X-X' aus gesehen ist, und der Verwirbler 16 besteht aus vier kreisförmigen Bögen 16C, die einzeln um 90° rund um seine Peripherie und Lücken zwischen den benachbarten kreisförmigen Bögen (Kraftstoffkanälen) in Segmente geteilt sind, und der kreisförmige Bogen 16C berührt die Innenseite der Düse und die offene Seite der Lücke 16B ist durch die Innenfläche der Düse 15 abgedeckt und bildet so den Kraftstoffkanal. Mittels Konfiguration der Richtung der Kanäle, so dass sie in Bezug auf die Mitte des Verwirblers exzentrisch sind, wird die Verwirbelungskraft auf den Kraftstoff aufgebracht, während der Kraftstoff durch die Kraftstoffkanäle 16B und 16B' fließt. Dadurch wird eine Verwirbelungskraft auf den Kraftstoff ausgeübt, der aus dem Kraftstoffkanal 16B' fließt und durch den Umgebungsbereich des Ventilkörpers 13 stromaufwärts des Ventilsitzes 7 hindurchfließt.
Der bewegliche Kern 4 ist mit der hohlen Kolbenstange 4A verbunden, wobei ein Kugelventil 13 an seinem Kopf befestigt ist. Ein Kraftstoffdurchgangsloch 41 ist auf der Seitenwand der Kolbenstange 4A platziert. Eine Komponente 21 ist ein Anschlag zum Beschränken des Hubs des beweglichen Kerns 4 in seine offene Richtung.
Der feste Kern, das Joch 3 und der bewegliche Kern 4 bestehen aus magnetischen Materialen, und das Stangenteil 4A, das Kugelventil 13, der Anschlag 21 und die Federeinstellvorrichtung 8 bestehen aus nicht-magnetischen Materialien.
Wenn sich die Magnetspule nicht im stromführenden Zustand befindet, nimmt das Kugelventil 13 die von der Rückstellfeder 6 angewendete Federkraft und den Kraftstoffdruck auf und berührt das Sitzventil. Dann hält es das Ventil im geöffneten Zustand.
Wenn das elektrische Signal auf die Magnetspule 10 angewendet wird und die Magnetspule in den stromführenden Zustand kommt, wird von dem festen Kern 2, dem Joch 3 und dem beweglichen Kern 4 eine Magnetschaltung gebildet, und der bewegliche Kern 4 wird von dem festen Kern 2 magnetisch angezogen. Das Kugelventil 13 sowie der bewegliche Kern 4 werden ebenfalls zur Innenfläche des Verwirblers 16 geführt und bewegt, und es verlässt den Ventilsitz 7 und kommt in den geöffneten Zustand des Ventils.
Im geöffneten Zustand des Ventils fließt der Kraftstoff durch die Zuleitungseinrichtung, wie zum Beispiel eine Kraftstoffpumpe, einen Kraftstoffdruckregler und -speicher, und strömt dann durch den Kraftstoffkanal 5, den Filter 22 und das Innere des beweglichen Kerns 4, die jeweils im festen Kern 2 platziert sind, und durch den inneren Kanal, das Kraftstoffdurchgangsloch 41, den Durchgang 14 in der Düse (Düsenkörper) 15 und wird direkt in das Innere des Zylinders des Motors durch die Öffnung 17 eingespritzt, während er vom Verwirbler mit Verwirbelungskraft versehen wird und am konisch zulaufenden Loch mit dem Ventilsitz 7 verwirbelt.
Durch Bezugnahme auf die 2 bis 4 wird der Aufbau der Düse beschrieben.
Die als Einspritzkanal 17 des Kraftstoffs verwendete Öffnung und das Loch 31 mit erweitertem Durchmesser, dessen Durchmesser am Eingang 17A des Einspritzkanals 17 stromaufwärts erweitert ist, der einen Teil des Kugelventils 13 aufnimmt und den Ventilsitz 7 aufweist, sind am zentralen Teil der unteren Wand 15A der Düse 15 ausgebildet, die einen Boden aufweist und als Hohlzylinder geformt ist. Obwohl das Loch 31 mit erweitertem Durchmesser im vorliegenden Beispiel als umgekehrter Konus aufgebaut ist, darf seine Form teilweise eine gekrümmte Oberfläche sein.
Die den Einspritzkanal 17 bildende Öffnung ist in Bezug auf die Langsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers verkippt, und sein Kippwinkel (Ablenkungswinkel) α ist so festgelegt, dass er in Bezug auf die Langsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers zwischen 5° und 10° liegt.
Durch Versehen des Einspritzkanals 17 mit einem Ablenkungswinkel α wird der Kraftstoffsprühnebel 47, der aus dem Kraftstoffeinspritzventil 1 heraus eingespritzt wird (mit anderen Worten, die Mittellinie des Kraftstoffsprühnebels), in eine gleichförmige Richtung (die Richtung, in die der Einspritzkanal 17 in Bezug auf die Ansicht des Einspritzkanals 17 aus dem Ventilsitz 7 abgelenkt wird) in Bezug auf die Langsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers abgelenkt.
Das Randteil des Auslasses des Einspritzkanals 17 der Düse 15 wird von einem kleinen erhöhten Teil 30 gebildet, das in der vorliegenden Ausführungsform später beschrieben wird, und das Randteil des Auslasses 30 und der Auslass 17B des Einspritzkanals weisen eine geneigte und nicht-senkrechte Fläche in Bezug auf die Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers auf. In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, wird, was das Randteil des Auslasses 30 betrifft, die geneigte Fläche 30'', die sich aus der Fläche des Auslasses 15B des Einspritzkanals zur Einspritzrichtung erstreckt, als geneigte stromaufwärtsseitige Fläche definiert, und die geneigte Fläche 30', die sich von der Fläche des Auslasses 17B des Einspritzkanals in die Richtung gegenüber der Einspritzrichtung zurück erstreckt, als geneigte stromabwärtsseitige Fläche definiert. Durch Schneiden des Auslasses 17B des Einspritzkanals in einer geneigten Fläche wird die Länge des Einspritzkanals 17 zumindest axial asymmetrisch. Da in der vorliegenden Ausführungsform der Winkel, der zwischen der geneigten Fläche des Auslasses 17B des Einspritzkanals und der Mittellinie E des Einspritzkanals auf 90° festgelegt ist, stellt die Form des Auslasses 17B des Einspritzkanals eine vollständige Rundung dar, und der Kantenwinkel des Auslasses 17B ist achsensymmetrisch. Wenn der zwischen der geneigten Fläche des Auslasses 17B des Einspritzkanals und der Mittellinie E des Einspritzkanals definierte Winkel nicht senkrecht ist (≠ 90°), ist die Form des Auslasses 17B und sein Kantenwinkel achsenasymmetrisch und somit kann eine gewünschte Form des Auslasses des Einspritzkanals durch Modifizieren des Winkels der geneigten Fläche des Auslasses 17B erhalten werden.
Soweit kann durch Schneiden des Auslasses 17B des Einspritzkanals in einer geneigten Fläche ein derartiges Sprühmuster erhalten wer den, dass der Kraftstoffsprühnebel des verwirbelten Kraftstoffs eine Konusform einnimmt, wie in 2 gezeigt ist, und die erreichbare Entfernung L1 des Sprühnebels und die Menge des Sprühnebels der geneigten stromabwärtsseitigen Fläche 30' des Randteils des Auslasses 30 größer ist und dass die erreichbare Entfernung L2 des Sprühnebels der geneigten stromaufwärtsseitigen Fläche 30'' kleiner ist, d. h. L1 > L2. Es ist erwiesen, dass die Menge und Verteilung des Kraftstoffsprühnebels für L1 größer ist und die Menge und Verteilung des Kraftstoffsprühnebels für L2 kleiner ist.
Einer der Gründe dafür kann folgendermaßen angenommen werden. Wie in 4 gezeigt ist, ist die Länge des Einspritzkanals 17 axial asymmetrisch, indem die Schnittfläche des Auslasses 17B des Einspritzkanals 17 und die Randfläche 30 des Auslasses zu einer geneigten Fläche geformt werden, und infolgedessen haben, was die Öffnungslänge 1 des Einspritzkanals 17 betrifft, die Öffnungswandflächenlänge 12 für die geneigte stromaufwärtsseitige Fläche 30'' des Randteils des Auslasses 30 und die Öffnungswandlänge 11 für die geneigte stromabwärtsseitige Fläche 30' ein Verhältnis von 12 > 11, und was die Kanallänge M von der Kontaktposition des Ventilkörpers 31 des Ventilsitzes 7 und den Auslass 17B des Einspritzkanals betrifft, so weisen die Länge M2 der geneigten stromaufwärtsseitigen Fläche 30'' des Randteils des Auslasses 30 und die Länge M1 der geneigten stromabwärtsseitigen Fläche 30' des Randteils des Auslasses 30 das Verhältnis M2 > M1 auf, und somit tritt ein Unterschied im Einfluss durch die Kanalwand wie etwa ein Druckverlust auf, da sich die Kanallänge der verwirbelten Strömung bei den einzelnen Positionen verändert. In diesem Fall ist der Verlust für die Seite, die die längere Kanallänge M (M2) hat, größer und die erreichbare Entfernung (die erreichbare Entfernung L2 des Sprühnebels) des Sprühnebels auf der M2-Seite (Sprühnebeldurchdringung und Strömungsge schwindigkeit) ist ebenfalls klein; im Gegensatz dazu ist der Verlust für die Seite, die die kürzere Kanallänge M (M1) aufweist, kleiner und die erreichbare Entfernung des Sprühnebels auf der M-Seite (die zurücklegbare Strecke L1 des Sprühnebels) ist länger. Zusätzlich zur erreichbaren Entfernung des Sprühnebels (Sprühnebelgeschwindigkeit) kann die Strömungsratenverteilung des Kraftstoffsprühnebels so beeinflusst werden, dass sie eine Richtungsabhängigkeit hat (d. h., dass sie die Strömungsratenverteilung so begrenzen kann, dass die Kraftstoffsprühnebelmenge auf der M1-Seite größer ist als die Kraftstoffsprühnebelmenge auf der M2-Seite). Was die anderen Faktoren betrifft, die die Richtungsabhängigkeit mit der zurücklegbaren Strecke des Sprühnebels (Strömungsgeschwindigkeitsverteilung) und die Sprühnebelströmungsratenverteilung vorsehen, kann vorgeschlagen werden, dass die Form des Sprühnebelauslasses in Ansprechung auf den Gradienten der geneigten Fläche des Randteils des Auslasses eingestellt wird und dass der Kantenwinkel und die Form des Einlasses 17A der Einspritzkanals eingestellt werden, um den am Einspritzkanal definierten Kippwinkel zu berücksichtigen.
Im vorliegenden Kraftstoffeinspritzventil kann der aus dem Einspritzkanal 17 der Düse 15 eingespritzte Kraftstoffsprühnebel 47 in eine definitive Richtung in Bezug auf die Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers abgelenkt werden, und die Sprühnebelform ist so definiert, dass die erreichbare Entfernung L1 des Sprühnebels auf der abgelenkten Seite größer sein kann und die erreichbare Entfernung L2 des Kraftstoffsprühnebels auf der anderen Seite gegenüber der abgelenkten Seite kürzer sein kann.
In der vorliegenden Ausführungsform wird das vorstehend beschriebene Randteil des Auslasses wie folgt bemessen.
Ein kleines erhöhtes Teil 30, dessen Höhe kürzer ist als die Länge der Öffnung 1 des Einspritzkanals 17, wird in der Mitte der Außenfläche des unteren Teils der Düse 15 mit dem Einspritzkanal 17 ausgebildet, und der Einspritzkanal 17 weist eine Neigung in Bezug auf die Langsachse des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers auf und ihr Auslass 17B ist an dem kleinen erhöhten Teil 30 ausgebildet. Mit diesem Aufbau definiert das kleine erhöhte Teil 30 ein Wandteil des Randteils des Auslasses des Einspritzkanals 17. Die Oberfläche des kleinen erhöhten Teils (das Randteil des Auslasses) 30 sieht eine solche geneigte Fläche vor, wenn die abgelenkte Richtungsseite ihres Einspritzkanals niedriger gemacht wird und ihre nicht-abgelenkte Richtungsseite im Hinblick auf den Auslass 17B des Einspritzkanals aus dem Ventilsitz 7 höher gemacht wird.
Das Kugelventil 13, der Durchmesser (der Durchmesser des Teils, das der Ventilkörper berührt) des Ventilsitzes, der Winkel des Ventilsitzes, die Öffnung (Einspritzkanal) 17 und das kleine erhöhte Teil 30 weisen die folgenden Spezifikationen auf. Beispielsweise beträgt der Durchmesser des Rohrs des Kugelventils 2 mm, der Durchmesser des Ventilsitzes (der Durchmesser des Sitzes, den der Ventilkörper berührt) beträgt 1,4 mm, der Winkel des Ventilsitzes beträgt 90°, der Durchmesser der Öffnung beträgt 0,6 mm bis 0,9 mm, die Länge der Öffnung (die Länge längs der Mittelachse der Öffnung) beträgt das 0,3- bis 1,3-fache des Durchmessers der Öffnung, der Durchmesser des kleinen erhöhten Teils beträgt 2 bis 3 mm, die Höhe H2 des geneigten aufsteigenden Wandteils am Randteil des Auslasses der Öffnung beträgt 0,43 bis 0,8 mm und die Höhe H1 des geneigten absteigenden Wandteils beträgt 0,1 bis 0,46 mm. Der Gradient γ der Neigung beträgt 5° bis 10° (im vorliegenden Fall 8,5°).
Wie in 3B gezeigt ist, die die Unterseite des Düsenkörpers zeigt, besteht das kleine erhöhte Teil 30 in der vorliegenden Ausführungsform aus einer Außenlinie, die von einem kreisförmigen Bogen umschlossen wird, dessen zur Mittellinie des kleinen erhöhten Teils senkrechte Fläche größer als ein halber Umfang ist und eine Sehne zwischen seinen beiden Enden verbunden ist. Die Höhe des kleinen erhöhten Teils 30 auf der Sehnenseite wird höher gemacht als die Höhe des kleinen erhöhten Teils 30 auf der der Sehnenseite gegenüberliegenden Seite, und somit wird die obere Fläche des kleinen erhöhten Teils zu einer geneigten Fläche gemacht. Der Einspritzkanal 17 ist so abgeschrägt, dass die Seite des Einlasses 17A des Einspritzkanals in Richtung der Sehnenseite in Bezug auf die Mittellinie O des kleinen erhöhten Teils abgelenkt werden kann und dass die Seite des Auslasses 17B des Einspritzkanals zur gegenüberliegenden Seite der Sehne abgelenkt wird.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird dadurch, dass die Außenlinie des kleinen erhöhten Teils 30 aus dem Bogen und der Sehne besteht und dass der Gradient des Einspritzkanals 17 und die Richtung der geneigten Fläche der oberen Fläche des kleinen erhöhten Teils zum Bogen und zur Sehne passend gemacht werden, ermöglicht, dass die Ablenkrichtung des Kraftstoffsprühnebels des Kraftstoffeinspritzventils durch Bezugnahme auf den Bogen und die Sehne erkannt werden kann.
Obwohl der Einspritzkanal 17 (die Mittellinie E des Einspritzkanals) so ausgebildet ist, dass er in Bezug auf die Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers eine Neigung aufweist, wie in den 2 und 4 gezeigt ist, befindet sich der Schnittpunkt G der Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers und der Mittellinie E in der den Einspritzkanal 17 bildenden Öffnung.
Auf eine solche Art und Weise, dass der Schnittpunkt G im Einspritzkanal 17 angeordnet wird, wie in 4 gezeigt ist, wird der Kantenwinkel des Einlasses 17A des Kraftstoffeinspritzkanals 17 in Bezug auf die Mittellinie des Durchmessers des Ventilsitzes 7 axial asymmetrisch (die Mittellinie der Durchmesser des Ventilsitzes passt zur Mittellinie der Langsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers). Es wird angenommen, dass die axiale Asymmetrie des Einlasses 17A des Einspritzkanals den Zustand des Kraftstoffsprühnebels beeinflusst.
Es ist so definiert, dass der Ventilkörper 13, der den Ventilsitz 7 berührt, wenn sich das Ventil öffnet, als Kugel geformt ist und dass das obere Ende der Kugel des Ventilkörpers 13 unter dem Einlass 17A des Einspritzkanals angeordnet ist und in das Innere des Einspritzkanals 17 gelangt, wenn das Ventil geschlossen wird. Das obere Ende des Ventils darf sich auf demselben Niveau des Einlasses 17A des Einspritzkanals befinden, wenn das Ventil geschlossen wird.
Mit einem solchen Aufbau wie dem oben beschriebenen wird geschätzt, dass das Totvolumen (der freie Raum) zwischen der oberen Fläche des Ventilkörpers 13 und dem Einlass 17A des Einspritzkanals verringert werden kann, wenn sich das Ventil öffnet, und dass der Kraftstoff versprayt werden kann, wobei die Abschwächung der Verwirbelungskraft des verwirbelten Kraftstoffs so gering wie möglich gehalten wird. Als Ergebnis der Erhöhung der Verwirbelungskraft für den Kraftstoffsprühnebel kann der Kraftstoffsprühnebel so ausgebildet werden, dass er zu einem Konus geformt wird, der einen hochdichten Außenbereich mit höherer Verwirbelungsenergie und einen grobdichten Innenbereich mit niedrigerer Verwirbelungsenergie vorsieht; und dann wird geschätzt, dass die Verwirbelungsenergie effi zient genützt werden kann und die Kornverfeinerung des Kraftstoffsprühnebels mit einer solchen Form wie der vorstehend beschriebenen erreicht werden kann. Dadurch, dass die Totvolumenwand, an der sich der restliche Kraftstoff festsetzt, so weit wie möglich verringert wird, wenn das Ventil geschlossen wird, ist beabsichtigt, den restlichen Kraftstoff am Anhaften zu hindern und infolgedessen die Genauigkeit des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses zu erhöhen.
Als Ergebnis von Experimenten ist bewiesen, dass eine durch die Verringerung des Totvolumens vorgesehene Wirkung und eine Erhöhung der Verwirbelungsenergie erreicht werden kann, indem die folgende Beziehungsgleichung erfüllt wird, ohne die obere Fläche des Kugelventils auf demselben Niveau wie den Einlass 17A des Kraftstoffeinspritzkanals zu positionieren oder in den Kraftstoffeinspritzkanal gelangen zu lassen.
Wie in 9 gezeigt ist, lautet unter der Annahme, dass das obere Ende des Ventilkörpers 13, das den Ventilsitz berührt, wenn das Ventil geschlossen ist, zum Einlass 1A des Einspritzkanals 17 stromabwärts des Ventilsitzes 7 gerichtet ist und dass die Strecke von der Position, an der das Ventil 13 den Ventilsitz 7 berührt, zum Einlass 17A des Einspritzkanals als y definiert ist und die Strecke von der Position, an der das Ventil 13 den Ventilsitz 7 berührt, zum Einlass 17A des Einspritzkanals und dem oberen Teil des Ventilkörpers als z definiert ist, die erforderliche Bedingung y ≤ 2z.
Es wird angenommen, dass die Länge des Einspritzkanals 17 als 1 definiert ist (die Länge 1 ist die Länge der Öffnung auf der Zentralachse des Einspritzkanals) und der Durchmesser des Einspritzkanals als d definiert ist; jene Parameter sind so festgelegt, dass sie den Beziehungsausdruck 0,3 < 1/d < 1,3 erfüllen. Der Grund, warm die unte re Grenze von 1/d auf 0,3 festgelegt ist, besteht darin, dass der gewünschte Ablenkwinkel für den Kraftstoffsprühnebel nicht für einen Wert erreicht werden kann, der niedriger als diese untere Grenze ist, und der Druckverlust und die Korngröße des Sprühnebels bei einem Wert wachsen, der größer als 1,3 ist und die erforderliche Korngröße (100 μm) nicht erzielt werden kann.
Wie in 5 durch Pfeile gezeigt ist, verläuft die Verwirbelungsrichtung des Kraftstoffs in der vorliegenden Ausführungsform von der stromabwärtigen Seite des Ventilsitzes gesehen gegen den Uhrzeigersinn, aber von der stromaufwärtigen Seite des Ventilsitzes gesehen im Uhrzeigersinn. Das liegt daran, dass festgestellt wurde, dass ein bevorzugterer abgelenkter Sprühnebel erhalten werden kann, indem man den verwirbelten Kraftstoff ausrichtet, anstatt die dieser Ausrichtung entgegengesetzte Verwirbelungsrichtung zu nutzen, falls geneigte Flächen am Auslass 17B und der oberen Fläche des Randteils 30 des Einspritzkanals 17 vorgesehen sind und dass der Einspritzkanal 17 einen Gradienten aufweist, so dass der Einlass 17A des Einspritzkanals 17 in Richtung der geneigten stromaufwärtsseitigen Fläche 30'' des Randteils des Auslasses in Bezug auf die Zentralachse C des Ventilsitzes abgelenkt sein kann und dass der Auslass 17B in Richtung der geneigten stromabwärtsseitigen Fläche 30' des Randteils des Auslasses abgelenkt sein kann.
Wie zuvor beschrieben wurde, weist die in einem Hohlzylinder mit einem Boden ausgeformte Düse 15 einen Chip auf, der als Verwirbler 16 eingesetzt wird, wie in 2 gezeigt ist, und der Chip 16 hat in seiner Mitte ein Führungsloch 16A für das Kugelventil (Ventilkörper) 13 und exzentrische Kraftstoffkanäle 16B und 16B' an seiner Außenfläche und Bodenfläche. Der Durchmesser der Innenfläche der Düse ist in dem Bereich von der Ecke 15C, die die innere Bodenfläche 15B der Düse schneidet, bis zur Innenperimeterposition 25D, die die vertikale Fläche Q der Chipachse am Mittelpunkt in der Höhe des Chips 16 schneidet, vergrößert, und ein Hohlraum 60 ist in der Ecke 15C ausgebildet, die die innere Bodenfläche der Düse 15 schneidet, die unter der Fläche 15B positioniert ist, welche den Chip des Innenbodens der Düse im Bereich des vergrößerten Innenperimeters 15F aufnimmt.
Nach Maßgabe des vorstehenden Aufbaus besteht die Position auf der Innenfläche der Düse, in der der Chip 16 vorgesehen ist, aus Innenflächen mit verschiedenen Innendurchmessern, und die Innenfläche 15G mit einem kleineren Innendurchmesser befindet sich stromaufwärts der Innenoberfläche 15F mit einem größeren Innendurchmesser und berührt die Nicht-Kraftstoffkanalfläche (in 5 gezeigte kreisförmige Bogenfläche 16C) auf der Außenfläche des Chips 16. Andererseits ist die Innenfläche 15F mit dem größeren Innendurchmesser in dem Bereich von der Ecke 15C, die die Innenbodenfläche der Düse schneidet, zur Innenflächenposition 15D, die die vertikale Fläche Q der Chipachse am Mittelpunkt der Höhe des Chips schneidet, ausgebildet. Der Hohlraum 60, in dem sich die Ecke 15C befindet, wird durch den Schnittpunkt zwischen dem Konus 61, der am Randteil der Innenbodenfläche und der Innenfläche 15F mit einem größeren Innendurchmesser ausgebildet ist, geformt. Der Grenzteil 15D zwischen den Innenflächen 15G und 15F mit ihren eigenen charakteristischen Innendurchmessern ist durch einen Konus gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform wird als Beispiel, wie in 3A gezeigt ist, der Innendurchmesser DS der Düseninnenfläche 15G mit einem kleineren Innendurchmesser auf Ø 5,9 mm festgelegt, der Innendurchmesser DL der Düseninnenfläche 15F mit einem größeren Durchmesser wird auf Ø 6,2 mm festgelegt, der Konuswinkel T_e1 der Position 15D der Innendurchmesserdifferenzgrenzfläche wird in Be zug auf die Düseninnenfläche auf 30 festgelegt, wobei der Konuswinkel T_e2, der einen Hohlraum 60 bildet, in Bezug auf die Düseninnenfläche auf 60 festgelegt wird, die Tiefe HD in Bezug auf die Düseninnenfläche auf 0,26 mm festgelegt wird und die Breite W des Kanals der vergrößerten Innenfläche 15F auf 3 mm festgelegt wird. Die Breite des Kanals des Kraftstoffkanals 16B' des Verwirblers 16 beträgt 0,4 mm und die Höhe des Kanals beträgt 0,19 mm.
Durch Ausbilden eines Innenflächenteils (Innenflächenkanals) 15F mit erweitertem Durchmesser und durch Definieren einer Ecke 15C am Hohlraum 16 können der folgende Vorgang und die folgende Wirkung erhalten werden.
Im Stand der Technik ist, da es keine derartige Innenfläche 15F mit erweitertem Durchmesser gibt, wie in 19 gezeigt, der Kraftstoffkanal des Verwirblers als einfacher Ellbogen geformt, und ein starkes Kraftstoffabblättern tritt an der Ecke dieser Kanalstruktur auf, was eine Erhöhung des Druckverlusts im Kraftstoffkanal zur Folge hat. Im Gegensatz hierzu trägt bei der Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform, wie in 18 gezeigt, die vergrößerte Innenfläche 15F zu einer Erweiterung des Kraftstoffkanals nahe der Ecke C und einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit bei und dann auch zu einer Verringerung des Druckverlustes aufgrund des Kraftstoffabblätterns. Es sollte beachtet werden, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit wieder erhöht, da der Kraftstoffkanal verengt wird, nachdem der Kraftstoff durch die Ecke 14C hindurchgeflossen ist. Dadurch, dass die Konen 15D und 61 am Einlass und Auslass der vergrößerten Innenfläche 15F der Düse ausgebildet sind, wird das Auftreten des sich ausbreitenden Verlustes und des konvergierenden Verlustes im Kraftstoffkanal so weit wie möglich unterdrückt.
So weit kann mit dem vorstehend beschriebenen Düseninnenflächenaufbau eine Erhöhung der Verwirbelungsenergie des Kraftstoffsprühnebels und letztlich der Kornverfeinerung des Kraftstoffs erleichtert werden.
Dadurch, dass die Außenfläche des unteren Teils der Düse poliert und als nicht-senkrechte Oberfläche in Bezug auf die Langsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers ausgebildet ist, wird angenommen, dass der Rauch und Kraftstoff am Anhaften an der Innenfläche gehindert werden.
Die 6 und 7 sind Erläuterungsdarstellungen, die ein Beispiel der Anwendung des Kraftstoffeinspritzventils im Verbrennungssystem von Verbrennungsmotoren des Direkteinspritztyps zeigen, wie in einer Teilquerschnittsansicht des Zylinders gezeigt ist.
In 6A ist die Komponente 40 ein Zylinder, die Komponente 41 ist eine Zündkerze, die Komponente 42 ist ein Kolben, die Komponente 43 ist ein Ansauggaskanal, die Komponente 44 ist ein Abgabekanal, die Komponente 45 ist ein Ansaugventil und die Komponente 46 ist ein Abgabeventil.
Im Allgemeinen ist die Zündkerze 41 so an der Mitte des oberen Teils (Zylinderkopfs) des Zylinders 40 angebracht, dass sie mit der Längsachse A des Zylinders ausgerichtet ist und das Ansaugventil 45 und das Abgabeventil 46 sind einzeln auf der einen und der anderen Seite der Langsachse A platziert.
Das Kraftstoffeinspritzventil 1 ist am oberen Teil des Zylinders und rund um das Randteil des Zylinders nahe dem Ansaugventil 45 mit einem bezeichneten Winkel eingebaut, der so definiert ist, dass er zur Fläche B, die senkrecht zur Längsachse A des Zylinders ist, verkippt ist. Somit ist das Kraftstoffeinspritzventil 1 mit einem solchen Winkel eingebaut, dass die Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers die Längsachse A des Zylinders diagonal schneidet.
Was die Einbaugestaltung des Kraftstoffeinspritzventils 1 im Zylinder 40 betrifft, wobei der Einspritzkanal 17 in die Einspritzrichtung zeigt, so wird die abgelenkte Seite (zum Beispiel die Seitenwand 30a des Einspritzkanals 17 auf der rechten Seite des Zeichnungsblatts der 2) so platziert, dass sie zur Zündkerze 41 (aufwärts) zeigt, und die nicht-abgelenkte Seite (zum Beispiel die Seitenwand 30b des Einspritzkanals 17 auf der linken Seite des Zeichnungsblatts der 2) wird so platziert, dass sie zur gegenüberliegenden Seite der Zündkerze (abwärts) zeigt.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Einbaugestaltung des Kraftstoffeinspritzventils ist das Kraftstoffeinspritzventil so definiert, dass der zum Inneren des Zylinders 40 gerichtete Einspritzkanal 17 einen Ablenkungswinkel α in Richtung der Zündkerzenseite in Bezug auf die Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers durch Verwendung des vorstehend beschriebenen Einspritzkanalkippwinkels α aufweist. Indem der Einspritzkanal 17 mit einem Ablenkungswinkel α versehen wird, wird der aus dem Kraftstoffeinspritzventil 1 (mit anderen Worten, der Mittellinie D des Kraftstoffsprühnebels) eingespritzte Kraftstoffsprühnebel in Richtung der Zündkerze 41 in Bezug auf die Langsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers abgelenkt. Die einzelnen Ablenkungswinkel der Mittellinie D des Kraftstoffsprühnebels und die Längsachse E des Einspritzkanals sind miteinander fast identisch und betragen zwischen 5° und 10°.
Der Grund, warum der Ablenkwinkel α des Einspritzkanals 17 in Bezug auf die Längsachse C des Kraftstoffeinspritzventilskörpers zwischen 5° und 10° festgelegt wird, besteht darin, dass der Winkel β1 für die erforderliche Sprühnebelrichtung (der Winkel β3 für den abgelenkten Sprühnebel) wie in 7 gezeigt aufgrund der Beschränkung des Motoreinbauwinkels des Kraftstoffeinspritzventils 1 nicht für einen Winkel erhalten werden kann, der kleiner als 5° ist, und dass es schwierig ist, die erforderliche zurücklegbare Strecke des Kraftstoffsprühnebels zu erzeugen, da der Kraftstoffkanalverlust (Druckverlust) im Projektionsventil für einen Winkel, der größer ist als 10°, größer wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann der eingespritzte Kraftstoffsprühnebel 47 um den Winkel β3 in Richtung der Zündkerze 41 in Bezug auf die Langsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers wie in 7 gezeigt abgelenkt werden, indem der Kraftstoffeinspritzkanal 17 in Richtung der Zündkerze 41 abgelenkt wird. Der Winkel β3 ist ein Winkel, der zwischen der Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers und der Mittellinie D des Kraftstoffsprühnebels 47 definiert ist.
Der Parameter β1 in 7 ist ein Winkel für die erforderliche Zielsprühnebelrichtung und als Winkel zwischen der zur Langsachse A des Zylinders senkrechten Fläche B und der Mittellinie D des Kraftstoffsprühnebels definiert. Die erforderliche Sprühnebelrichtung β1 wird durch die Form und Größe des Motors bestimmt und ist nicht notwendigerweise ein gleichförmiger Wert. Der Parameter β2 ist ein Einbauwinkel des Kraftstoffeinspritzventils 1 im Motor und als Winkel zwischen der vorstehend beschriebenen Referenzfläche B und der Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers definiert.
Falls es eine Differenz zwischen dem Winkel β1 der erforderlichen Zielsprühnebelrichtung und dem Einbauwinkel β2 des Kraftstoffeinspritzventils 1 besteht, kann der Winkel β1 durch Definieren des Ablenkungswinkels β3 des Kraftstoffsprühnebels erzeugt werden, so dass dieser die Gleichung β3 = β2 – β1 erfüllt.
Gemäß dem Kraftstoffeinspritzventil 1 der vorliegenden Ausführungsform ist der Kraftstoffsprühnebel 47 als Konus ausgebildet, und das, was in einer solchen Sprühnebelform wie dem Kraftstoffsprühnebel 47 erhalten werden kann, ist keine axiale Symmetrie in Bezug auf die Mittellinie D des Sprühnebels, die zurücklegbare Strecke L1 (Sprühnebeldurchdringung) des in Richtung der Zündkerze 41 abgelenkten Sprühnebels ist größer und die zurücklegbare Strecke L2 des Sprühnebels auf der Seite (der Seite des Hohlraums 42a des Kolbens 42) gegenüber der Ablenkungsseite ist kleiner.
Durch Ablenken des Kraftstoffsprühnebels in Richtung der Zündkerze wird das Maß erhöht, um das der Kraftstoffsprühnebel direkt rund um die Zündkerze 41 im Schichtverbrennungsmodus konzentriert werden kann. Wie insbesondere in 6A gezeigt ist, ist in Bezug auf die vertikale Fläche B, die zur Längsachse der Zündkerze senkrecht ist (die Längsachse der Zündkerze ist identisch mit der Längsachse des Zylinders) an einer bestimmten Position des Einspritzkanals des Kraftstoffeinspritzventils 1 durch Einstellen der Richtung des Kraftstoffsprühnebelsegments 47' des Kraftstoffsprühnebels 47, der auf der Zündkerzenseite aus dem Kraftstoffeinspritzventil 1 eingespritzt wird, das eher in Richtung der Zündkerze 41 auszurichten ist als in Richtung der vertikalen Fläche B, das Kraftstoffsprühnebelsegment 47' des auf der Zündkerzenseite eingespritzten Kraftstoffsprühnebels 47 direkt auf die Zündkerze 41 gerichtet, und dann wird eine intensive Mischluft-Formation rund um die Zündkerze 41 geför dert und es kann eine Zündleistung der vermischten Luft erzeugt werden, während eine ausgezeichnete Meilenleistung erzielt wird.
Da die Kraftstoffeinspritzung im Schichtverbrennungsmodus im Verdichtungshub erfolgt, wenn der Druck in der Motorbrennkammer (im Zylinder) hoch ist, neigt die Streuung des Kraftstoffsprühnebels dazu, klein zu sein. Jedoch können in der vorliegenden Ausführungsform für die Sprühnebelrichtung des Kraftstoffsprühnebels 47 der Kraftstoffsprühnebelbereich und der Sprühnebelwinkel θ um das Ausmaß der abgelenkten Richtung der Sprühnebelrichtung in Richtung der Zündkerze 41 erweitert werden und daher kann eine zu starke Verringerung der Streuung des Kraftstoffsprühnebels vermieden werden und somit ergibt sich ein kompakter Sprühnebel zur gemäßigten Konzentrierung des Kraftstoffsprühnebels um die Zündkerze. Der Sprühsprühnebel θ ist ein Winkel der Streuung des Kraftstoffsprühnebels auf dem Querschnitt (der Ebene), wenn der Querschnitt so definiert ist, dass er den Kraftstoffsprühnebel 47 längs dessen Mittellinie D schneidet. Obwohl im gleichförmigen Verbrennungsmodus der Kraftstoffsprühnebel beim Ansaughub ausgeführt wird, wenn der Druck niedrig ist, wird man es schätzen, dass der Kraftstoffsprühnebelbereich (Kraftstoffsprühnebelwinkel θ) durch die Ablenkung der Sprühnebelrichtung in Richtung der Zündkerze mehr als bisher erweitert werden kann und die Gleichmäßigkeit der Kraftstoffstreuung im Zylinder gesteigert werden kann.
Zusätzlich zum in Richtung der Zündkerze abgelenkten Sprühnebel, wie vorstehend beschrieben, trägt durch Vergrößern der zurücklegbaren Strecke L1 des in Richtung der Zündkerze abgelenkten Sprühnebels und durch Verkürzen der zurücklegbaren Strecke L2 des Sprühnebels auf der gegenüberliegenden Seite des abgelenkten Sprühnebels, wie in 6A gezeigt ist, die Strecke L1 mit ihrer längeren zu rücklegbaren Strecke zur schnellen Komponente zum Vorsehen einer Zündleistung bei und die Strecke L2 mit ihrer kürzeren zurücklegbaren Strecke verhindert, dass sich der Kraftstoffsprühnebel auf dem Kolbenkopf festsetzt, da die Länge zum Hohlraum 42a des Kolbens kürzer ist, und trägt somit zur Komponente der niedrigen Geschwindigkeit zur Unterdrückung der unverbrannten Komponente und Reduzierung der Rauchabgabe bei.
Da es schwierig ist, diese Kraftstoffsprühnebelformation im Zylinder (Brennkammer) direkt zu messen, in der sich der Druck in großem Maße aufgrund des Verbrennungszyklus verändert, werden verschiedene Muster für die Kraftstoffsprühnebelform vorgesehen und jene Sprühnebelformen des Kraftstoffeinspritzventils werden vorher unter Umgebungsdruck gemessen und dann wird das Kraftstoffeinspritzventil eingebaut und es werden Verbrennungsexperimente durchgeführt: In den Experimenten wird in dem Fall, dass der Verbrennungsdruck 5 MPa bis 9 MPa beträgt und dass der Sprühnebelablenkungswinkel (Ablenkungswinkel in Bezug auf die Mittellinie C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers) 5° bis 10° (7° für den Optimalwert) in Richtung der Zündkerze beträgt, das Verhältnis der zurücklegbaren Strecke L1 des Sprühnebels auf der abgelenkten Seite und der zurücklegbaren Strecke L2 des Sprühnebels auf einer anderen Seite gegenüber der abgelenkten Seite, L1/L2, 1,1 bis 1,4 beträgt und der Kraftstoffsprühnebelwinkel 70° bis 90° (85° für den Optimalwert) beträgt, erreicht, dass die Leistungsstabilität des Schichtverbrennungsmodus und des gleichförmigen Verbrennungsmodus hoch ist, und beim Schichtverbrennungsmodus im Leerlaufbetrieb (550 UpM) wird die Verbrennung für den L/K-Durchschnitt = 40 ohne abgelenkten Sprühnebel nicht erzeugt, aber die Verbrennung wird für den L/K-Durchschnitt = 40 mit abgelenktem Sprühnebel ermöglicht, und die gewünschten Bedingungen, dass der Cpi (Verbrennungsdruckabwei chungsrate) < 5% und der Rauch (BSU) < 0,3, können miteinander auskommen. Der L/K-Durchschnitt im Schichtverbrennungsmodus ist ein Durchschnitt des L/K für die Mischluftschicht a, die um die Zündkerze herum konzentriert ist, und L/K für ihre umgebende Luftschicht b, und in der vorliegenden Ausführungsform kann eine Verbrennung unter guten Bedingungen bei einem solchen supermageren L/K-Verhältnis verwirklicht werden, worin L/K für die Mischluftschicht a 15 beträgt und L/K für die Luftschicht 50 beträgt und somit beträgt der L/K-Durchschnitt 40.
Im gleichmäßigen Verbrennungsmodus kann die Rauchabgabe um die Hälfte bis ein Viertel im Vergleich zu jenem der herkömmlichen Vorrichtung verringert werden, während eine Steigerung der Ausgangsleistung aufrecht erhalten werden kann.
Damit kann als Ergebnis eine stabile Motorleistung für einen breiteren Motordrehzahlbereich als im Stand der Technik erreicht werden.
Wenn die erforderliche Sprühnebelrichtung des Kraftstoffeinspritzventils und dessen Einbauwinkel ohne Ablenkung des Kraftstoffsprühnebels zueinander passen, ist eine Sprühnebelablenkung nicht notwendig, sondern es ist nur die Einstellung in Bezug auf die Beziehung zwischen den zurücklegbaren Strecken für Kraftstoffsprühnebel, L1 und L2 (L1 > L2), erforderlich. Das heißt, dass in diesem Fall, da der Winkel der erforderlichen Sprühnebelrichtung β1 und der Einbauwinkel des Einspritzventils β2 die Beziehung aufweisen, dass β1 = β2, die Kraftstoffsprühnebelform ohne eine Ablenkungseinstellung für den Kraftstoffsprühnebel so festgelegt wird, dass die zurücklegbare Strecke L1 des in einen Konus in Richtung der Zündkerze geformten Sprühnebels größer sein kann und die zurücklegbare Strecke L2 des Sprühnebels auf der der Zündkerze gegenüberliegenden Seite kleiner sein kann.
Eine weitere Düse 15 im Kraftstoffeinspritzventil ist in 10 gezeigt.
In diesem Beispiel ist die Ebene des Auslasses 17B des Einspritzkanals 17 der Düse 15 in Bezug auf die vertikale Fläche R, die senkrecht zur Mittellinie E des Einspritzkanals ist, geneigt. Beispielsweise beträgt der zwischen der Fläche des Auslasses 17B des Einspritzkanals und der vertikalen Fläche R definierte Winkel 1,5° (das heißt, der zwischen der Mittellinie E des Einspritzkanals und der Fläche des Auslasses 17B des Einspritzkanals beträgt zum Beispiel 88,5° und ist so festgelegt, dass er 1,5° kleiner als die Mittellinie E des Einspritzkanals und die vertikale Fläche R ist). Wenn der zwischen der Längsachse E des Einspritzkanals und der Längsachse C des Einspritzventilkörpers definierte Winkel α auf 8,5° festgelegt wird, beträgt der zwischen der Fläche 17B des Auslasses des Einspritzkanals und der vertikalen Fläche der Längsachse C des Einspritzventilkörpers definierte Winkel γ 10°.
Die Höhe des kleinen erhöhten Teils 30 auf der aufwärts geneigten Seite 30'' beträgt zum Beispiel 0,43 mm und die Höhe auf der abwärts geneigten Seite 30' beträgt 0,1 mm.
Der Unterschied zwischen den Kanallängen M1 und M2 der Einspritzkanals 17 kann vergrößert werden (M2 > M1) und die willkürliche elliptische Form des Auslasses des Einspritzkanals 17 und der Kantenwinkel des Auslasses können axial asymmetrisch sein, und die Differenz zwischen den zurücklegbaren Strecken L1 und L2 des Kraftstoffsprühnebels kann aufgrund jener geometrischen Merkmale vorgesehen werden (L1 > L2). Dies bedeutet, dass die Kanallänge M der Verwirbelungsströmung in der Umfangsrichtung des Einspritzkanals nicht identisch ist, und dann tritt der Druckunterschied für die Wandflächendifferenz auf und somit ist die Sprühnebelgeschwindigkeit für die größere Kanallänge M2 langsamer und die Sprühnebelgeschwindigkeit für die kleinere Kanallänge M1 ist schneller. Diese Eigenschaft verstärkt sich, wenn der Kippwinkel der Fläche 17B des Auslasses des Einspritzkanals vergrößert wird. Je größer der Kippwinkel der Fläche 17B des Auslasses des Einspritzkanals in Bezug auf die vertikale Fläche R der Mittellinie E des Einspritzkanals definiert ist, desto weiter kann die größere Mengenverteilung ebenso wie die Strömungsrate (die zurücklegbare Strecke des Sprühnebels) für die kleinere Kanallänge M1 erhöht werden. Das heißt, indem die Differenz der Kanallänge M bestmöglich ausgenutzt wird, erhalten die Sprühnebelgeschwindigkeitsverteilung und Sprühnebelmengenverteilung eine Richtungsverteilung und die Form, Strömungsrate und Strömungsratenverteilungen können unter Einsatz dieses Merkmals nach Belieben verändert werden.
Obwohl die Fläche des Auslasses 17B des Einspritzkanals 17 der Düse 15 in Bezug auf die vertikale Fläche R der Mittellinie E des Einspritzkanals in dem in 11 gezeigten Beispiel ähnlich wie das in 10 gezeigte Beispiel geneigt ist, ist die Langsachse E des Einspritzkanals 17 in Bezug auf die Längsachse des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers C nicht geneigt.
Auch kann in dem vorliegenden Beispiel der Unterschied zwischen den Kanallängen M1 und M2 des Einspritzkanals 17 vergrößert werden (M2 > M1) und die Form des Auslasses des Einspritzkanals 17 kann geändert werden und der Kantenwinkel des Auslasses kann axial asymmetrisch sein und es kann die Differenz zwischen den zu rücklegbaren Strecken L1 und L2 des Kraftstoffsprühnebels aufgrund jenen geometrischen Merkmalen vorgesehen werden (L1 > L2). Da es sich jedoch nicht um den Fall des abgelenkten Sprühnebels handelt, wird es für den Fall bevorzugt, dass der Winkel der gewünschten Sprühnebelrichtung nur durch den Einbauwinkel des Kraftstoffeinspritzventils 1 vorgesehen werden kann.
Die in 12 gezeigte Ausführungsform der Erfindung, in der die Düse 15 eine Öffnung, die ähnlich wie in den zuvor beschriebenen einzelnen Ausführungsformen als Einspritzkanal 17 verwendet wird, ein wie ein umgekehrter Konus geformtes Loch (Kraftstoffverwirbelungsraum) 13 mit einem Durchmesser, der sich von der Position des Einlasses 17A des Einspritzkanals 17 stromaufwärts vergrößert und einen Teil des Ventilkörpers (Kugelventils) 13 aufnimmt, und den Ventilsitz 7 aufweist, aber die folgenden Punkte kennzeichnen eine geometrische Eigenschaft.
Bei dem Winkel, der zwischen der Ebene des Auslasses 17B des Einspritzkanals und der vertikalen Fläche R der Mittellinie E des Einspritzkanals definiert ist, ist keine Differenz vorgesehen und der Einspritzkanal 17 weist keine Neigung in Bezug auf die Längsachse C des Einspritzventilkörpers auf, die obere Fläche (die Ebene des Auslasses der Einspritzkanals) des kleinen erhöhten Teils, der als Randteil des Einspritzkanals dient, ist ebenfalls keine geneigte Fläche, sondern eine vertikale Fläche in Bezug auf die Langsachse C des Einspritzventilkörpers und die Mittellinie EB des Einspritzkanals 17.
Der Einspritzkanal 17 ist in Bezug auf die Längsachse des Einspritzventilkörpers versetzt. Mit diesem Versatz ist der Einspritzkanal 17 ebenfalls zur Mittellinie des wie ein umgekehrter Konus geformten Lochs 31 und der Längsachse des Kugelventils 13 versetzt.
Gemäß einer solchen Struktur sieht der Einlass 17A des Einspritzkanals 17 eine Neigungsfläche von der Versetzungsseite (der rechten Seite mit Blick auf das Zeichnungsblatt in Bezug auf die Längsachse C des Einspritzventilkörpers in 12) zur nicht-versetzten Seite (der linken Seite mit Blick auf das Zeichenblatt in Bezug auf die Längsachse C des Einspritzventilkörpers).
Da der aus dem Kraftstoffkanal 16B des Verwirblers 16 fließende verwirbelte Kraftstoff sich an dem axial symmetrischen, wie ein umgekehrter Konus geformten Loch auf der Langsachse des Kraftstoffeinspritzventilköpers am Kanal Y1 vom Auslass des Kraftstoffkanals 16B' des Verwirblers 16 zur geneigten Spitzenkante des Einlasses 17A des Einspritzkanals verwirbelt, wird angenommen, dass die Strömungsgeschwindigkeit in der Umfangsrichtung gleichmäßig ist. Am Kanal Y2 von der geneigten Spitzenkante des Einlasses 17A des Einspritzkanals zum Auslass 17B des Einspritzkanals strömt, da der Einspritzkanal 17 in Bezug auf die Längsachse C des Einspritzventilkörpers versetzt ist, der verwirbelte Kraftstoff durch den axial asymmetrischen Kanal in Bezug auf die Längsachse C des Kraftstoffventilkörpers hindurch. Nach Maßgabe eines derartigen Kanals für den verwirbelten Kraftstoff ist der Abstand von der Längsachse C des verwirbelten Kraftstoffs zur Kraftstoffkanalwand an der versetzten Seite lang und der Abstand von der Längsachse C des verwirbelten Kraftstoffs zur Kraftstoffkanalwand an der nicht versetzten Seite ist für den Kanal Y2 kurz. Da jedoch die Strömungsgeschwindigkeit an der Außenseite in der Radialrichtung des verwirbelten Kraftstoffs in Bezug auf die Längsachse C der Verwirbelung höher ist, tritt eine solche Strömungsgeschwindigkeitsverteilung und Strömungsgeschwindigkeitsdifferenz in dem verwirbelten Kraftstoff auf, dass die Strömungsgeschwindigkeit längs der Kraftstoffkanalwand an der Versetzungs seite hoch ist und die Strömungsgeschwindigkeit längs der Kraftstoffkanalwand an der nicht-versetzten Seite niedrig ist. Das heißt, dadurch, dass der Kanal Y2 des verwirbelten Kraftstoffs in Bezug auf die Mitte C des verwirbelten Kraftstoffs versetzt wird, tritt eine solche Strömungsgeschwindigkeitsverteilung wie die Strömungsgeschwindigkeitsdifferenz wie vorstehend beschrieben auf. Als Ergebnis hiervon können für den verwirbelten Kraftstoffsprühnebel (konusförmigen Sprühnebel), der aus dem Einspritzkanal 17 eingespritzt wird, die Strömungsgeschwindigkeit (zurücklegbare Strecke des Sprühnebels) und Strömungsrate eher auf der versetzten Seite als auf der nicht-versetzten Seite erhöht werden.
Somit können eine gewünschte Sprühnebelform, Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsratenverteilung erhalten werden, indem der Versetzungswert in Ansprechung auf die Verwirbelungskraft des verwirbelten Kraftstoffs eingestellt wird und die angemessene Länge und der angemessene Durchmesser des Einspritzkanals eingestellt werden.
13 zeigt ein Beispiel der Erfindung, bei dem der Versatz des Einspritzkanals, der in 12 gezeigt ist, auf den Einspritzkanal mit Ablenkwinkel angewendet wird.
Ein Ventilsitz 7, ein stromabwärts des Ventilsitzes befindlicher Einspritzkanal 17 und ein Kraftstoffverwirbelungsraum S (wie ein umgekehrter Konus geformtes Loch 31) zwischen dem Einspritzkanal 17 und dem Ventilsitz 7 sind an der Düse 15 ausgebildet. Der Einspritzkanal 17 weist eine Neigung in Bezug auf die Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers auf, und der Kraftstoffverwirbelungsraum S ist so definiert, dass er in Bezug auf die Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers axial symmetrisch ist, und die Mitte des Einlasses 17A der Einspritzung ist in Bezug auf die Längsachse C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers versetzt. Die Ablenkungsrichtung des Einspritzkanals 17 ist an der Versetzungsrichtung mit Blick auf den Auslass 17B des Einspritzkanals positioniert.
Im vorliegenden Beispiel können beim Ablenken des Kraftstoffsprühnebels die Sprühnebelströmungsgeschwindigkeit (zurücklegbare Entfernung des Sprühnebels) in der Ablenkungsrichtung und die Strömungsrate größer als jene in der Nicht-Ablenkungsrichtung gemacht werden.
Wenn der Einspritzkanal 17 wie vorstehend beschrieben abgelenkt wird, darf die Form des Einlasses 17A des Einspritzkanals in Ansprechung auf das Maß der Ablenkung verändert werden, und die Sprühnebelverteilung neigt dazu, abgelenkt zu werden, und eine gewünschte Sprühnebelform, Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsratenverteilung können dadurch erhalten werden, dass diese Neigung verstärkt oder abgeschwächt wird, indem der Einlass 17A des Einspritzkanals zur Mitte C der Verwirbelung versetzt wird.
14 zeigt ein Modifikationsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventils mit einem vorstehend beschriebenen abgelenkten Einspritzkanal, worin der Innenaufbau des Kraftstoffeinspritzventils 1 nicht gezeigt ist. Beispielsweise wird die Breite des Auslasses des Kraftstoffkanals 16B' des in 2 gezeigten Verwirblers breiter gemacht als der Kanal 16B' selbst, und der Raum zum Aufnehmen des Kraftstoffs wird durch diesen vergrößerten Raum vorgesehen. Mit diesem Aufbau wird der in dem Kraftstoffbehälter verbleibende Kraftstoff auch zusammen in der Anfangsphase des Einspritzens des Kraftstoffsprühnebels eingespritzt, aber da der Kraftstoff im Kraftstoffbehälter keine Verwirbelungskraft hat, wird dieser Kraftstoff als Sprühnebelform ge bildet, um in den nachfolgenden verwirbelten Kraftstoff eingespritzt zu werden. Dies wird für den Fall genutzt, dass eine solche Sprühnebelform erforderlich wird, ein Verbrennungssystem von Benzinmotoren vom Direkteinspritztyp, das eine solche Sprühnebelform verwendet, ist in 15 gezeigt.
16 ist ein Gesamtstrukturdiagramm, das eine weitere Ausführungsform des Kraftstoffeinspritzventils der vorliegenden Erfindung zeigt, 17A ist eine vertikale Querschnittsansicht, die die Gesamtkonfiguration der für das Kraftstoffeinspritzventil verwendeten Düse zeigt, und 17B ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die den Umgebungsbereich des Einspritzkanals zeigt.
Auch das Kraftstoffeinspritzventil des vorliegenden Beispiels richtet sich darauf, den abgelenkten Sprühnebel, der dem in 3A gezeigten ähnlich ist, und die zurücklegbare Strecke des Sprühnebels zu definieren, um die Beziehung L1 > L2 zu erfüllen. Im Folgenden werden die Strukturen beschrieben, die sich von jenen in dem in 3A gezeigten Kraftstoffeinspritzventil unterscheiden.
In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 17A gezeigt, wird ein konkaver Abschnitt 31', der wie ein umgekehrter Konus geformt ist und auf seinem oberen Ende des umgekehrten Konus eine gekrümmte Oberfläche aufweist, durch Pressen auf der Innenfläche ausgebildet, und ein Ventilsitz 7 wird auf der Oberfläche des konkaven Abschnitts 31' ausgebildet. Ein halbkugelförmiges erhöhtes Teil 30 wird durch Pressen im Mittelteil der Außenfläche des oberen Endes des Körpers der Düse 15 ausgebildet, und ein Kraftstoffeinspritzkanal 17 wird an dem dicken Teil des kleinen erhöhten Teils 30-1 so ausgebildet, dass er in Bezug auf die Längsachse (Düsenachse) C des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers geneigt ist.
Auch kann in der vorliegenden Ausführungsform der Abstand von der Ventilkörperberührungsposition des Ventilsitzes zum Auslass 17B des Einspritzkanals 17 (Länge des Verwirbelungskraftstoffkanals) auf der Ablenkungsseite mit Blick auf den Einspritzkanal vom Ventilsitz langer sein und der Abstand auf der Nicht-Ablenkungsseite kann kürzer sein, und indem der Kantenwinkel des Einlasses 17A und des Auslasses 17B des Einspritzkanals 17 axial asymmetrisch gemacht wird, kann die zurücklegbare Strecke des Sprühnebels auf der Ablenkungsseite langer sein als diejenige auf der Nicht-Ablenkungsseite, und durch beliebiges Einstellen des Ablenkungswinkels des Einspritzkanals können eine gewünschte Form, Strömungsgeschwindigkeit und Sprühnebelverteilung für den Kraftstoffsprühnebel erhalten werden.
In der vorliegenden Erfindung ist dahingehend ein Vorteil gegeben, dass ein Kraftstoffeinspritzkanal leicht innerhalb des kleinen erhöhten Teils 30-1 durch Pressen und Bohren zur Herstellung des Einspritzkanals ausgebildet werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können durch Anwendung der Erfindung auf Benzinmotoren vom Direkteinspritztyp optimale Kraftstoffsprühnebelformen individuell ein Optimum für den Schichtverbrennungsmodus und den gleichförmigen Verbrennungsmodus mit einem einzigen Kraftstoffeinspritzventil ausbilden. Die Meilenleistung und die Ausgangsleistung können erhöht werden und es kann eine stabile Motorleistung in einem breiten Motordrehzahlbereich erhalten werden.

Claims

Ein Kraftstoffeinspritzventil für Verbrennungsmotoren des Direkteinspritztyps mit – einer Kraftstoffverwirbelungseinrichtung (16) zum Aufbringen einer Verwirbelungskraft stromaufwärts eines Ventilsitzes auf einen durch einen Umgebungsbereich eines Ventilkörpers (13) strömenden Kraftstoffstrom, – einer Düse (15) zum Einspritzen des verwirbelten Kraftstoffs mit – einem erhöhten Teil (30; 30-1), das von einem zentralen Teil einer äußeren Oberfläche eines oberen Endes der Düse vorsteht, und – einem Einspritzkanal (17) mit einem Auslass (17B), der an einer äußeren Oberfläche des erhöhten Teils (30; 30-1) ausgebildet ist, wobei der Einspritzkanal (17) derart an der Düse (15) ausgebildet ist, dass er in Bezug auf eine Längsachse (C) des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers (13) versetzt ist, wobei – die Mitte eines Einlasses des Einspritzkanals (17) in Bezug auf die Langsachse (C) des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers (13) versetzt ist und – die vorstehende Abmessung des erhöhten Teils (30; 30-1) kürzer ist als die Länge des Einspritzkanals (17).
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzkanal (17) in Bezug auf die Längsachse des Kraftstoffeinspritz-Ventilkörpers (13) verkippt ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erhöhte Teil (30; 30-1) eine halbkreisförmige äußere Oberfläche aufweist.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz auf einer Oberfläche eines konkaven Abschnitts ausgebildet ist, der auf einer inneren Fläche eines zentralen Teils der Düse (15) ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der konkave Abschnitt in Form eines umgekehrten Konus ausgebildet ist und die Auslassseite der Kraftstoffverwirbelungseinrichtung (16) und die Einlassseite des Einspritzkanals (17) verbindet.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffeinspritzkanal (17) in dem halbkreisförmigen erhöhten Teil an einer Stelle geöffnet ist, die beliebig von der Verlängerungslinie der Mitte des Ventilkörpers (13) versetzt ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das halbkreisförmige erhöhte Teil durch ein erhöhtes Teil mit einer bogenförmigen äußeren Fläche gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge eines Einspritzkanals (17) größer ist als der Durchmesser des Einspritzkanals (17).
Kraftstoffeinspritzventil nach einem beliebigen der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der als Umkehrkonus ausgeformte konkave Abschnitt und das halbkreisförmige erhöhte Teil durch Pressen ausgebildet sind.