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Dokumentenidentifikation DE3633612C2 27.04.1995
Titel Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine
Anmelder Nippondenso Co., Ltd., Kariya, Aichi, JP
Erfinder Kiuchi, Hideo, Aichi, JP;
Ogawa, Oyuki, Okazaki, JP;
Yamazoe, Hiroshi, Anjo, JP;
Tasaka, Hitoshi, Anjo, JP;
Kuroda, Minoru, Nagoya, JP;
Okino, Susumu, Kariya, JP
Vertreter Tiedtke, H., Dipl.-Ing.; Bühling, G., Dipl.-Chem.; Kinne, R., Dipl.-Ing.; Grupe, P., Dipl.-Ing.; Pellmann, H., Dipl.-Ing.; Grams, K., Dipl.-Ing.; Struif, B., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 80336 München
DE-Anmeldedatum 02.10.1986
DE-Aktenzeichen 3633612
Offenlegungstag 09.04.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.1995
IPC-Hauptklasse F02M 69/04
IPC-Nebenklasse F02M 61/18   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoff- Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kraftstoff-Einspritzsysteme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 werden in der JP 59-43 962 A und in der GB- PS 73 87 69 offenbart.

Ein weiteres herkömmliches Kraftstoff-Einspritzsystem wird in der JP 60-88070 U beschrieben. Es weist eine elektromagnetische Spule und ein Nadelventil auf, das durch die elektromagnetische Spule in Abhängigkeit von einem der Spule zugeführten elektrischen Signal betätigt wird. Das Nadelventil öffnet und schließt einen Kraftstoffkanal, der zu einer Einspritzöffnung führt, wodurch die Kraftstoffeinspritzung in den Motor gesteuert wird. Das der elektromagnetischen Spule zugeführte elektrische Signal wird durch eine Motorsteuereinheit derart gesteuert, daß die Kraftstoffversorgung des Motors in bezug auf den jeweiligen Motorzustand optimiert wird.

Die meisten modernen Motoren sind heute mit einem Abgasrückführsystem (hiernach als EGR-System bezeichnet) ausgerüstet, um den heutigen Umweltschutzbestimmungen gerecht zu werden. Normalerweise tritt bei einer derartigen Brennkraftmaschine, die mit einem EGR-System und einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung des vorstehend beschriebenen Typs, die an einem Ansaugkrümmer montiert ist, ausgerüstet ist, das Problem auf, daß feiner Staub oder in den Abgasen suspendierte Partikel durch das EGR-System umgewälzt und auf einem Abschnitt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung um die Einspritzöffnung herum, genauer gesagt auf der Außenfläche eines Düsenzapfens, der durch die Einspritzöffnung nach außen vorsteht, abgelagert werden. Wenn diese Ablagerungen allmählich dicker werden und schließlich ein Ausmaß erreichen, bei dem die abgelagerten Substanzen die Öffnung der Einspritzöffnung erreichen, nimmt der wirksame Bereich dieser Öffnung ab, so daß die in den Motor eingespritzte Kraftstoffmenge derart reduziert wird, daß die Betriebsweise des Motors nachteilig beeinflußt wird.

Dieses Problem tritt auch bei Brennkraftmaschinen auf, die nicht mit Abgasrückführsystemen ausgerüstet sind. Beispielsweise wird die Ausbildung von starken Ablagerungen um die Einspritzöffnung einer Einspritzeinrichtung herum oft bei Brennkraftmaschinen beobachtet, die mit Kraftstoffen niedriger Qualität arbeiten, sowie bei Brennkraftmaschinen, die unter einem starken Zurückblasen der Verbrennungsgase in die Ansaugkrümmer leiden.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Kraftstoff- Einspritzsystem zu schaffen, mit dem zuverlässig die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Da die Querschnittsfläche der Verbindungsöffnung kleiner ist als die Querschnittsfläche des Aufnahmeraumes für den Düsenzapfen, können Staub oder andere Partikel, die in den Bereich in der Nähe der Kraftstoffeinspritzeinrichtung durch die Abgase eines Abgasrückführsystems oder die in den Ansaugkrümmer zurückblasenden Verbrennungsgase geführt werden, den Bereich um die Einspritzöffnung und den Düsenzapfen herum nicht in einfacher Weise erreichen, da die Gasströmung, in der derartige Staub- und andere Partikel suspendiert sind, durch die Verbindungsöffnung gedrosselt wird. Folglich werden Ablagerungen von Staub und anderen Partikeln auf dem Abschnitt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung um die Einspritzöffnung und den Düsenzapfen herum beträchtlich reduziert, so daß die auf derartige Ablagerungen zurückzuführende Verminderung der eingespritzen Kraftstoffmenge gestoppt wird und die Kraftstoffeinspritzeinrichtung selbst dann über einen langen Zeitraum zufriedenstellend arbeiten kann, wenn die Brennkraftmaschine mit einem Abgasrückführsystem ausgerüstet ist. Aus dem gleichen Grunde kann das erfindungsgemäß ausgebildete Kraftstoffeinspritzsystem selbst dann über einen langen Zeitraum zufriedenstellend arbeiten, wenn die Brennkraftmaschine mit Kraftstoff niedriger Qualität betrieben wird und ein starkes Zurückblasen der Verbrennungsgase auftritt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes geht aus dem Patentanspruch 2 hervor. Damit wird bewirkt, daß der Kraftstoff, der bei bestimmten Betriebsbedingungen zum Verdampfen neigt, auch dann genau dosiert werden kann, wenn sich die Kraftstofftemperatur erhöht, oder wenn infolge einer Verzögerung des Motors ein Unterdruck in der Verzweigung des Ansaugkrümmers erzeugt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine elektromagnetisch betätigte Kraftstoffeinspritzeinrichtung (hiernach einfach als Kraftstoffeinspritzeinrichtung bezeichnet) einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffeinspritzsystems;

Fig. 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Abschnittes der in Fig. 1 gezeigten Kraftstoffeinspritzeinrichtung;

Fig. 3 eine Bodenansicht der Kraftstoffeinspritzeinrichtung in Richtung des Pfeiles III in Fig. 2 gesehen;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Einspritzsystem und anderen Teilen ausgerüsteten Brennkraftmaschine;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und eines Einlaßventiles, wobei die Kraftstoffeinspritzrichtung dargestellt ist;

Fig. 6 ein Diagramm, das die Ergebnisse von Versuchen zeigt, welche mit der in Fig. 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzeinrichtung und mit einer Einspritzeinrichtung des Standes der Technik durchgeführt wurden, um die Abnahme der eingespritzten Kraftstoffmengen bei experimentellen Betriebszyklen der Brennkraftmaschine zu überprüfen;

Fig. 7-10 Diagramme, die die Ergebnisse von Versuchen zeigen, welche zur Überprüfung von Änderungsgrößen der eingespritzten Kraftstoffmengen bei Dimensionsänderungen der Kraftstoffeinspritzöffnung und eines Hülsenelementes der erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffeinspritzeinrichtung durchgeführt wurden;

Fig. 11 in entsprechender Weise wie Fig. 2 eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffeinspritzsystems; und

Fig. 12 eine Bodenansicht in Richtung des Pfeiles XII in Fig. 11.

Fig. 4 zeigt in schematischer Weise eine Brennkraftmaschine 101, die mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffeinspritzsystems ausgerüstet ist.

Die Brennkraftmaschine 101 besitzt einen Ansaugkrümmer mit Abzweigungen 102, die zu entsprechenden Zylindern der Brennkraftmaschine führen. Das Kraftstoffeinspritzsystem umfaßt eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die allgemein mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet und so montiert ist, daß ihr Ende in jede Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers geringfügig vorsteht. Die Abzweigungen 102 laufen in einer Ansaugkammer 103 zusammen, in die Luft über ein Luftfilter 104, ein Durchflußmesser 105 und ein Drosselventil 106 in bekannter Weise eingeführt wird.

Jeder Zylinder der Brennkraftmaschine 101 ist mit einem Einlaßventil 107 und einem Auslaßventil 108 versehen. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 ist so an der Abzweigung 102 montiert, daß ihr Ende in der Nähe des Einlaßventils 107 angeordnet ist, so daß der von der Einspritzeinrichtung 100 eingespritzte Kraftstoff und die in die Abzweigung 102 eingeführte Luft zur Bildung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches miteinander vermischt werden. Dieses Luft-Kraftstoff-Gemisch wird über das Einlaßventil 107 in eine Verbrennungskammer 109 im Zylinder der Brennkraftmaschine 101 eingeführt. Das in die Verbrennungskammer 109 eingeführte Gemisch wird über eine Zündkerze (nicht gezeigt) gezündet und erzeugt bei seiner Explosion Verbrennungsgase, die über das Auslaßventil 108 und ein Auslaßrohr 110 in die Atmosphäre abgegeben werden. Ein Abgasrückführkanal 111 ist an das Auslaßrohr 110 und die Ansaugkammer 103 angeschlossen, damit ein Teil der Abgase in die Ansaugkammer 103 rückgeführt werden kann. Der Abgasrückführkanal 111 ist an einem mittleren Abschnitt mit einem Abgasrückführventil 112 versehen, das den Durchfluß der durch den Kanal 111 rückgeführten Abgase steuert.

Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 wird von einem Kraftstofftank 113 über ein Kraftstoffilter 15 durch den Betrieb einer Kraftstoffpumpe 114 mit Kraftstoff versorgt. Der Abgabedruck der Kraftpumpe wird durch ein Drucksteuerventil 116 so gesteuert, daß er sich auf einem Niveau befindet, das um einen vorgegebenen Wert höher ist als der Druck in der Ansaugkammer 103.

Eine Motorsteuereinheit 117 besitzt einen Mikrocomputer, der optimale Bedingungen für den Betrieb der Brennkraftmaschine für jeden beliebigen Zeitpunkt errechnet, beispielsweise die Öffnungsdauer der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100, den Betrieb des Abgasrückführventils 112 etc. Dieser Rechenvorgang basiert auf verschiedenen Signalen, beispielsweise einem Signal vom Luftdurchflußmesser 105, das den Ansaugluftdurchsatz verkörpert, einem Impulssignal von einem Verteiler 118, das zum Betrieb der Brennkraftmaschine 101 synchron ist, und Signalen von anderen nicht gezeigten Sensoren. Die Motorsteuereinheit 117 gibt die den Ergebnissen der Rechenvorgänge entsprechenden Signale an die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 und das Abgasrückführventil 112 ab, um diese zu steuern.

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen Einzelheiten der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100.

Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 ein Gehäuse 1, das allgemein zylindrisch und abgestuft ausgebildet ist und somit Abschnitte unterschiedlicher Durchmesser aufweist. Genauer gesagt besitzt das Gehäuse 1 einen Abschnitt mit großem Durchmesser, der eine elektromagnetische Wicklung 3 aufnimmt, die um eine Spule 2 gewickelt ist. Die Spule 2 besitzt eine mittlere Bohrung, die einen rohrförmigen Eisenkern 4 eng aufnimmt, dessen oberes Ende eine Verbindung zu einem Kraftstoffversorgungsrohr bildet. Der rohrförmige Eisenkern 4 ist an einem mittleren Abschnitt mit einem Flansch versehen, der auf einer Schulter ruht, welche an der inneren Umfangfläche des Gehäuses 1 ausgebildet ist. Das obere Ende der Wand des Gehäuses 1 ist über den Flansch gebogen, so daß auf diese Weise der Eisenkern 4 am Gehäuse 1 fixiert ist. Der offene obere Endabschnitt des Eisenkernes 4 nimmt ein Kraftstoffilter 41 auf. Ein Einstellrohr 42, in dem ein Kraftstoffkanal angeordnet ist, ist an der Innenfläche des Eisenkernes 4 befestigt. Ein Anschluß 5 für eine elektrische Stromversorgung ist einstückig ausgebildet, indem ein Kunststoffmaterial auf den oberen Endabschnitt des Gehäuses 1 aufgeformt wurde. Der Anschluß 5 besitzt einen Anschlußstift 51, der an die elektromagnetische Wicklung 3 elektrisch angeschlossen ist, so daß Spannungsimpulse, die den Ausgangssignalen der Motorsteuereinheit 117 entsprechen, der elektromagnetischen Wicklung 3 über den Anschlußstift 51 zugeführt werden.

Ein Hohlkörper 6 ist an einem Ende am Abschnitt mit kleinem Durchmesser des Gehäuses 1 fixiert, wobei ein Abstandselement 61 dazwischen angeordnet ist. Der Hohlkörper 6 besitzt ein äußeres Ende, das vom unteren Ende des Gehäuses abwärts und auswärts vorsteht. Das vorstehende Ende des Körpers 6 ist durch eine Endwand verschlossen, die mit einer Einspritzöffnung 62 und einem Ventilsitz 63 benachbart zur Einspritzöffnung 62 versehen ist. Der Innenraum des Hohlkörpers 6 nimmt gleitend ein Nadelventil 7 auf, das von der oberen Seite eingesetzt ist. Das Nadelventil 7 ist mit einem konischen unteren Endabschnitt versehen, der dem Ventilsitz 63 gegenüberliegt. Ein Düsenzapfen 71 ist am äußeren Ende des konischen unteren Endabschnittes des Nadelventiles 7 ausgebildet. Das Nadelventil 7 ist desweiteren an seinem mittleren Abschnitt mit einem Flansch versehen, der einen Anschlag 72 bildet, welcher mit dem Abstandselement 61 zusammenwirkt, um den Aufwärtshub des Nadelventiles 7 zu begrenzen. Ein beweglicher Kern 73 ist am oberen Ende des Nadelventiles 7 fixiert und liegt dem Eisenkern 4 axial gegenüber. Eine Schraubenfeder 74 ist zwischen dem beweglichen Kern 73 und dem Einstellrohr 42 angeordnet und setzt den beweglichen Kern 73 nach unten unter Vorspannung.

Ein aus metallischem Material bestehendes Hülsenelement 8 ist mittels Preßpassung um das äußere oder untere Ende des Hohlkörpers 6 angeordnet. Eine Endöffnung 81, die in der Endwand der Hülse 8 ausgebildet ist, ist zur Einspritzöffnung 62 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 ausgerichtet, so daß der von der Öffnung 62 eingespritzte Kraftstoff durch die Endöffnung 81 in die Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers eingeführt wird. Die Hülse 8 kann auch aus Kunststoff bestehen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Einzelheiten der Konstruktion der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 und insbesondere den Endabschnitt der Einspritzeinrichtung, der dem Raum in der Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers ausgesetzt ist. Wie man aus diesen Figuren ersehen kann, besitzt der am äußeren Ende des Nadelventils 7 ausgebildete Düsenzapfen 71 einen zylindrischen Abschnitt 711 mit konstantem Durchmesser, der sich vom äußeren Ende des Nadelventiles 7 aus erstreckt, einen ersten konischen Abschnitt 712, der mit dem Ende des zylindrischen Abschnittes 711 verbunden ist und einen Durchmesser aufweist, der vom Durchmesser des zylindrischen Abschnittes 711 stetig abnimmt, sowie einen zweiten konischen Abschnitt 713, der mit dem ersten konischen Abschnitt 712 verbunden ist und einen Durchmesser besitzt, der im wesentlichen auf den gleichen Durchmesser wie der zylindrische Abschnitt 711 stetig ansteigt. Das äußere Ende des zweiten Abschnittes 713 ist konisch und konvergiert nach unten. Der zylindrische Abschnitt 711 des Düsenzapfens 71 erstreckt sich derart durch die Einspritzöffnung 62, daß ein kleiner Spalt zwischen der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Abschnittes 711 und der inneren Umfangsfläche der Einspritzöffnung 62 gebildet wird. Derjenige Abschnitt des Düsenzapfens 71, der den ersten und zweiten konischen Abschnitt 712 und 713 umfaßt, steht über die Einspritzöffnung 62 vor und ist in einem Aufnahmeraum 811 für den Düsenzapfen angeordnet, welcher einen Teil der Endöffnung 81 bildet. Somit wird der von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 eingespritzte Kraftstoff durch den zwischen der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Abschnittes 711 des Düsenzapfens 71 und der inneren Umfangsfläche der Einspritzöffnung 62 gebildeten Ringraum dosiert.

Der Aufnahmeraum 811 für den Düsenzapfen, der im Hülsenelement 8 ausgebildet ist, besitzt ein Volumen, das groß genug ist, um keine Behinderung für den von der Einspritzöffnung 62 in die Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers eingespritzten Kraftstoffstrom zu bilden. Somit wirken der Abschnitt des Düsenzapfens 71, der im Aufnahmeraum 811 für den Düsenzapfen angeordnet ist, und die Oberfläche der Wand, die diesen Raum 811 begrenzt, zusammen und bilden dazwischen einen im wesentlichen zylindrischen Raum, der sich entlang der Länge des Düsenzapfens 71 erstreckt. Das Spiel zwischen der inneren Umfangsfläche des Aufnahmeraumes 811 für den Düsenzapfen und dem Abschnitt des Düsenzapfens 71, der in diesem Raum 811 angeordnet ist, ist viel größer als das Spiel zwischen der äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Abschnittes 711 des Düsenzapfens 71 und der inneren Umfangsfläche der Einspritzöffnung 62. Die Axiallänge des Aufnahmeraumes 811 für den Düsenzapfen entspricht im wesentlichen der Länge des Düsenzapfens 71 über die Einspritzöffnung 62 hinaus. Die Endöffnung 81 des Hülsenelementes 8 besitzt mindestens zwei Verbindungsöffnungen 812, die eine Verbindung zwischen dem Aufnahmeraum 811 für den Düsenzapfen und dem Raum in der Abzweigung 102 herstellen. Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwei Verbindungsöffnungen 812 vorhanden. Jede dieser Verbindungsöffnungen ist konisch ausgebildet, so daß sie nach unten, d. h. in Richtung auf das Innere der Abzweigung 102, konvergiert. Somit wird die Endöffnung 81 des Hülsenelementes 8 durch den Aufnahmeraum 811 für den Düsenzapfen und die Verbindungsöffnungen 812 gebildet.

Die Verbindungsöffnungen 812 sind relativ zur Achse des Düsenzapfens 71 symmetrisch zueinander ausgebildet. Der Abstand zwischen den Öffnungen dieser Verbindungsöffnungen in der Endfläche des Hülsenelementes 8 benachbart zur Abzweigung 102 entspricht im wesentlichen dem Durchmesser des Düsenzapfens 71. Die Achsen der Verbindungsöffnungen 812 sind relativ zur Achse des Düsenzapfens 71 geneigt. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist der gesamte Querschnittsbereich der Verbindungsöffnung 812 so ausgewählt, daß er viel kleiner ist als der des Aufnahmeraumes 811 für den Düsenzapfen. Der gesamte Querschnittsbereich der Verbindungsöffnungen 812 ist jedoch auch so ausgewählt, daß der Kraftstoffstrahl von der Einspritzöffnung 62 glatt in die Abzweigung 102 eingeführt wird, ohne durch die Verbindungsöffnung gedrosselt zu werden. Wenn der konische Abschnitt des Nadelventiles 7 auf dem Ventilsitz 63 sitzt, ist ein vorgegebener Spalt zwischen dem äußeren Ende des Düsenzapfens 71 und dem inneren Ende einer Trennwand 82 zwischen den beiden Öffnungen 812 vorhanden, so daß der Düsenzapfen 71 niemals durch die Trennwand 82 störend beeinflußt wird.

Wenn eine Spannung in Form von Impulsen an die elektromagnetische Wicklung 3 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 angelegt wird, wird der bewegliche Kern 73 gegen die Kraft der Schraubenfeder 74 in Richtung auf den Eisenkern 4 gezogen, so daß das Nadelventil 7 angehoben wird, bis der Anschlag 72 desselben gegen das Abstandselement 61 stößt. Somit wird der konische Abschnitt des Nadelventils 7 vom Ventilsitz 63 wegbewegt, so daß unter Druck stehender Kraftstoff, der über das Einstellrohr 72 und den beweglichen Kern 73 zu der durch das Nadelventil 7 und den Ventilsitz 63 gebildeten Dichtung zugeführt worden ist, entspannt und durch die Einspritzöffnung 62 eingespritzt wird. Der auf diese Weise eingespritzte Kraftstoff wird durch den zweiten konischen Abschnitt 713 des Düsenzapfens 71 zerstäubt, und der Strahl des zerstäubten Kraftstoffes wird durch die beiden Verbindungsöffnungen 812 geführt und aufgrund der Differenz zwischen dem Einspritzdruck und dem in der Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers herrschenden Druck in die Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers eingeführt.

Fig. 5 zeigt Kraftstoffstrahlen, die von der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 in Richtung auf das Einlaßventil 107 eingespritzt worden sind. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100 ist mit Hilfe eines Isolators 120 so an der Abzweigung 102 montiert, daß das Ende der Kraftstoffeinspritzeinrichtung benachbart zur Abzweigung 102 in Richtung auf die obere Fläche des Ansaugventiles 107 weist. Daher werden die Strahlen des Kraftstoffes aus den Verbindungsöffnungen 812 gegen die obere Fläche des Ansaugventils 107 gerichtet. Wenn die Brennkraftmaschine zwei Ansaugventile für jeden Zylinder aufweist, kann das Hülsenelement 8 mit einer Vielzahl von Verbindungsöffnungen versehen und so angeordnet sein, daß zwei aus der Vielzahl der Verbindungsöffnungen auf ein Ansaugventil und die anderen Öffnungen auf das andere Ansaugventil gerichtet sind.

Da der gesamte Querschnittsbereich der Verbindungsöffnungen 812 kleiner ist als der Querschnittsbereich des Aufnahmeraumes 811 für den Düsenzapfen, werden die in der Ansaugluft suspendierten Stäube und andere Partikel, die durch das Abgasrückführsystem mitgeführt werden, durch die Verbindungsöffnungen 812 gedrosselt und können somit kaum den Aufnahmeraum 811 für den Düsenzapfen erreichen.

Zur Bestätigung der durch die Erfindung erreichbaren Vorteile wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem die beschriebene Kraftstoffeinspritzeinrichtung 100, die zum Erzielen einer gewünschten Kraftstoffeinspritzung ausgebildet und dimensioniert war, an einer Brennkraftmaschine des in Fig. 4 dargestellten Typs montiert und die Abnahme der eingespritzten Kraftstoffmengen in bezug auf die experimentellen Betriebszyklen der Brennkraftmaschine beobachtet wurde. Zum Vergleich wurde ein entsprechender Test an einer herkömmlich ausgebildeten Kraftstoffeinspritzeinrichtung des in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung JP 60-88070 U beschriebenen Typs durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Fig. 6 dargestellt, aus der hervorgeht, daß das erfindungsgemäß ausgebildete Kraftstoffeinspritzsystem nur eine geringe Abnahme der eingespritzten Kraftstoffmengen, d. h. 5% oder weniger, besaß, was weniger als 1/7 der Abnahme bei dem herkömmlich ausgebildeten Kraftstoffeinspritzsystem entsprach. Hieraus wird deutlich, daß das erfindungsgemäß ausgebildete Kraftstoffeinspritzsystem die eingangs aufgeführten Probleme des Standes der Technik löst. Der Begriff "Betriebszyklus des Motors" bedeutet einen Betriebszyklus, bei dem der Motor 101 über eine vorgegebene Zeitdauer mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit bei geöffnetem Abgasrückführventil betrieben wurde, wonach der Motor über eine vorgegebene Zeitdauer gestoppt wurde. Die Untersuchungen wurden mit einer vorgegebenen Anzahl von Motorbetriebszyklen, d. h. einhundert Zyklen, durchgeführt.

Die Fig. 7 und 8 zeigen Diagramme, welche Ergebnisse von Untersuchungen wiedergeben, die durchgeführt wurden, um die Abmessungen der Einspritzeinrichtung 100 zu bestimmen, die erforderlich sind, um eine gewünschte Menge an eingespritztem Kraftstoff zu erhalten. Genauer gesagt, die Abszisse der Fig. 7 gibt das Verhältnis zwischen der Fläche A1 des Aufnahmeraumes 811 für den Düsenzapfen in einer Ebene senkrecht zur Achse dieses Raumes, d. h. der Querschnittsfläche des Aufnahmeraumes 811 für den Düsenzapfen, zur maximalen Querschnittsfläche A2 des Düsenzapfens 7 in einer Ebene senkrecht zur Achse desselben wieder, während die Ordinate den Änderungsgrad der tatsächlichen Kraftstoffeinspritzmenge in bezug auf eine Kraftstoffeinspritzmenge wiedergibt, die für einen Betrieb des Motors mit geringer Last wünschenswert ist. Man erkennt, daß die tatsächliche Kraftstoffeinspritzmenge im wesentlichen der gewünschten Kraftstoffeinspritzmenge entspricht, wenn der Wert des Verhältnisses A1/A&sub2; 12 oder größer ist. Wenn der Verhältniswert A1/A2 jedoch kleiner ist als 12, übersteigt die tatsächliche Kraftstoffeinspritzmenge in unerwünschter Weise die gewünschte Kraftstoffeinspritzmenge. Dies ist auf die folgende Tatsache zurückzuführen: Der von der Einspritzöffnung 62eingespritzte Kraftstoff wird in die Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers über den Aufnahmeraum 811 des Düsenzapfens und die Verbindungsöffnungen 812 eingeführt. Da das Volumen des Aufnahmeraumes 811 kleiner ist, sinkt der Druck in diesem Raum 811 soweit ab, daß die Differenz zwischen dem Kraftstoffeinspritzdruck und dem Druck im Aufnahmeraum für den Düsenzapfen größer ist als der Unterschied zwischen dem Kraftstoffeinspritzdruck und dem Druck in der Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers. Mit anderen Worten, aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Kraftstoffstrahlen in diesem Raum wird ein Unterdruck im Aufnahmeraum 811 für den Düsenzapfen erzeugt. Folglich wird der Kraftstoff mit Gewalt aus der Kraftstoffeinspritzeinrichtung gesaugt, wodurch die tatsächliche Kraftstoffeinspritzmenge ansteigt.

Der Abstand zwischen dem Düsenzapfen 71 und der inneren Umfangsfläche der Einspritzöffnung 62 ist normalerweise geringer als einige 100 µm, so daß die Querschnittsfläche des Ringspaltes zwischen dem Düsenzapfen 71 und der inneren Umfangsfläche der Einspritzöffnung 62 viel kleiner ist als die Querschnittsfläche A2 des Düsenzapfens. Daher wird die Kraftstoffeinspritzmenge im wesentlichen allein durch den Außendurchmesser des Düsenzapfens 71 festgelegt, wenn andere Bedingungen, wie beispielsweise die Öffnungsdauer der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und der Kraftstoffdruck, konstant gehalten werden. Somit hängt die Querschnittsfläche des Ringraumes zwischen der äußeren Umfangsfläche des Düsenzapfens 71 und der inneren Umfangsfläche der Einspritzöffnung 62, der die Kraftstoffeinspritzmenge bestimmt, im wesentlichen direkt von der Querschnittsfläche des Düsenzapfens 71 ab. Aus den in Fig. 7 wiedergegebenen Ergebnissen wird deutlich, daß es zum Erhalt einer hohen Genauigkeit bei der Kraftstoffdosierung erforderlich ist, den Abstand zwischen der äußeren Umfangsfläche des Düsenzapfens 71 und der inneren Umfangsfläche des Aufnahmeraumes 811 für den Düsenzapfen im Vergleich zu dem Abstand zwischen der äußeren Umfangsfläche des Düsenzapfens 71 und der inneren Umfangsfläche der Einspritzöffnung 62 ausreichend groß zu halten.

Fig. 8 zeigt das Ergebnis eines Experimentes, bei dem die gesamte Querschnittsfläche A3 der beiden Verbindungsöffnungen 812 verändert wurde, während die Querschnittsfläche A4 des Ringraumes zwischen der äußeren Umfangsfläche des Düsenzapfens 71 und der inneren Umfangsfläche der Einspritzöffnung 62 konstant gehalten wurde, um zu erforschen, inwieweit die Kraftstoffeinspritzmenge in Relation zum Verhältnis A3/A4 der Querschnittsflächen verändert wird. Auf der Abszisse der Fig. 8 ist somit das Verhältnis A3/A4 dargestellt, während die Ordinate den Änderungsgrad der tatsächlichen Kraftstoffeinspritzmenge relativ zu einer Kraftstoffeinspritzmenge, die für einen Betrieb des Motors unter geringer Last wünschenswert ist, zeigt. Aus der Figur wird deutlich, daß die tatsächliche Kraftstoffeinspritzmenge im wesentlichen der wünschenswerten Kraftstoffeinspritzmenge entspricht, wenn das Verhältnis A3/A4 größer als 5 ist. Die Tatsache, daß die tatsächliche Kraftstoffeinspritzmenge die wünschenswerte Kraftstoffeinspritzmenge im Bereich des Verhältnisses A3/A4 unter 5 übersteigt, ist auf den gleichen Grund zurückzuführen wie er vorher in Verbindung mit Fig. 7 erläutert wurde, d. h. das vorstehend beschriebene Phänomen, das im Aufnahmeraum 811 für den Düsenzapfen aufgrund eines zu kleinen Volumens desselben auftritt. Die in Fig. 8 dargestellten Ergebnisse legen nahe, daß es zum Erhalt einer hohen Genauigkeit bei der Dosierung des Kraftstoffes erforderlich ist, die gesamte Querschnittsfläche A3 der beiden Verbindungsöffnungen 812 im Vergleich zur Querschnittsfläche A4 des Ringraumes zwischen der äußeren Umfangsfläche des Düsenzapfens 71 und der inneren Umfangsfläche der Einspritzöffnung 62 ausreichend groß auszubilden.

Aus der vorstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Fig. 7 und 8 wird deutlich, daß nahezu kein Unterschied zwischen der wünschenswerten Kraftstoffeinspritzmenge und der tatsächlichen Kraftstoffeinspritzmenge erzeugt wird, und zwar selbst dann nicht, wenn die gesamte Querschnittsfläche der beiden Verbindungsöffnungen 812 kleiner ist als die des Aufnahmeraumes 811 für den Düsenzapfen, wenn der Wert des Verhältnisses A1/A2 nicht kleiner ist als 12 und der Wert des Verhältnisses A3/A4 nicht kleiner ist als 5.

Der Kraftstoff neigt dazu, in der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zu verdampfen, wenn die Kraftstofftemperatur erhöht wird oder infolge einer Verzögerung des Motors ein Unterdruck in der Verzweigung 102 des Ansaugkrümmers erzeugt wird. Eine solche Verdampfung des Kraftstoffes beeinflußt die Genauigkeit bei der Dosierung des Kraftstoffes nachteilig, und zwar insbesondere dann, wenn irgendein Gebilde, das die Strahlen des eingespritzten Kraftstoffes drosselt, abstromseitig einer Einspritzöffnung angeordnet ist, wie dies bei der beschriebenen Kraftstoffeinspritzeinrichtung der Fall ist.

Dieses Problem kann jedoch gelöst werden, indem die Kraftstoffeinspritzeinrichtung so ausgebildet wird, daß sie die folgenden Bedingungen erfüllt:

  • (1) A3/A4 ≥ 5,5

    wobei A3 die Gesamtquerschnittsfläche der beiden Verbindungsöffnungen 812 bedeutet, während A4 die Querschnittsfläche des Ringraumes zwischen der äußeren Umfangsfläche des Düsenzapfens 71 und der inneren Umfangsfläche der Einspritzöffnung 62 bedeutet (siehe Fig. 9); und
  • (2) L/d ≤ 2

    wobei L die Länge einer jeden Verbindungsöffnung 812 und d den minimalen Durchmesser einer jeden Verbindungsöffnung 812 bedeuten (siehe Fig. 10).


Es ist naturgemäß wesentlich, daß der Wert des Verhältnisses A1/A2 zwischen der Querschnittsfläche des Aufnahmeraumes 811 für den Düsenzapfen und der Querschnittsfläche A2 des Düsenzapfens 71 die vorstehend erwähnte Bedingung von A1/A2 ≥ 12 erfüllt.

Die Fig. 9 und 10 sind Diagramme, die die Betriebscharakteristika einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung zeigen, welche gemäß den vorstehend erwähnten Bedingungen konstruiert wurde.

Es versteht sich, daß die durch die Verbindungsöffnungen 812, die dazu dienen, zu verhindern, daß irgendwelche Staub- und andere Partikel, die beispielsweise bei einem Abgasrückführsystem mitgeführt werden, den Bereich um den Düsenzapfen 71 und die Einspritzöffnung 62 herum erreichen, bewirkten Einschränkungen die Genauigkeit der Kraftstoffdosierung nicht merklich beeinträchtigen, wenn die vorstehend erwähnten Bedingungen eingehalten werden.

Obwohl die bei der beschriebenen Ausführungsform verwendete Kraftstoffeinspritzvorrichtung zwei Verbindungsöffnungen besitzt, schließt die Erfindung die Verwendung von drei oder mehr Verbindungsöffnungen oder nur von einer Verbindungsöffnung, die koaxial zum Düsenzapfen angeordnet ist, nicht aus. Derartige Modifikationen werden ebenfalls durch die vorliegende Erfindung abgedeckt.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr in Verbindung mit den Fig. 11 und 12 beschrieben.

Fig. 11 ist ein vergrößerter Längsschnitt durch einen Teil einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung Verwendung findet. Die Figur zeigt insbesondere die Konstruktion der Kraftstoffeinspritzeinrichtung um die Einspritzöffnung herum, während Fig. 12 eine Unteransicht in Richtung des Pfeiles XII in Fig. 11 ist. In diesen Figuren werden gleiche Bezugsziffern wie bei den vorhergehenden Figuren zur Bezeichnung von gleichen Teilen oder Elementen wie bei der ersten Ausführungsform verwendet, und es wird auf eine detaillierte Beschreibung dieser Teile oder Elemente verzichtet.

Bei der in Fig. 11 gezeigten Kraftstoffeinspritzeinrichtung besitzt das Hülsenelement 8 einen einstückigen konischen Schutzabschnitt 182, der koaxial zum Düsenzapfen 71 angeordnet ist und in Richtung auf das Ende des Zapfens 71 weist. Ein kleiner Spalt ist zwischen dem äußersten Ende des Düsenzapfens 71 und dem inneren Ende 821 des Schutzabschnittes 182 ausgebildet, so daß selbst dann, wenn sich der Düsenzapfen am unteren Hubende befindet, der Schutzabschnitt 182 nicht störend auf den Düsenzapfen einwirkt. Die Fläche 822 des Schutzabschnittes 182, die auf die Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers weist, besitzt einen Durchmesser, der im wesentlichen dem Außendurchmesser des zylindrischen Abschnittes 711 oder dem maximalen Außendurchmesser des zweiten konischen Abschnittes 713 des Düsenzapfens 71 entspricht oder etwas größer als dieser ist. Eine Vielzahl von Verbindungsöffnungen 813, die jeweils eine bogenförmige oder sektorförmige Gestalt besitzen, ist im Abschnitt der Endwand des Hülsenelementes 8 um den Schutzabschnitt 182 herum ausgebildet, um eine Verbindung zwischen dem Aufnahmeraum 811 für den Düsenzapfen und dem Inneren der Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers herzustellen. Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt das Hülsenelement 8 vier Verbindungsöffnungen 813, so daß der Schutzabschnitt 182 über vier Brücken 84, die einstückig mit dem Hülsenelement 8 ausgebildet sind, gelagert wird. Diese Verbindungsöffnungen 813 sowie der Aufnahmeraum 811 für den Düsenzapfen besitzen Querschnittsflächen, die groß genug sind, um sich nicht störend auf die von der Einspritzöffnung 62 in die Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers eingespritzten Kraftstoffstrahlen auszuwirken. Die konische Wandfläche 83 einer jeden Verbindungsöffnung 813 verläuft parallel zur konischen Fläche 823 des Schutzabschnittes 182, und der Abstand zwischen diesen beiden parallelen Flächen ist so ausgewählt, daß hierdurch der Kraftstoffstrom nicht nachteilig beeinträchtigt wird, der von der Einspritzöffnung 62 eingespritzt und nach Aufprall auf den zweiten konischen Abschnitt 713 des Düsenzapfens 71 zerstäubt worden ist. Zur gleichen Zeit ist die Länge des Abschnittes des Hülsenelementes 8, in dem die Verbindungsöffnungen 813 ausgebildet sind, in Richtung der Achse des Düsenzapfens 71 gemessen, so ausgewählt, daß sie im wesentlichen der Axiallänge des Aufnahmeraumes 811 für den Düsenzapfen entspricht. Wenn die Länge der Verbindungsöffnungen 813 groß ist, muß der zerstäubte Kraftstoff eine lange Strecke durchlaufen, bevor er die Abzweigung 102 des Ansaugkrümmers erreicht, was zur Folge hat, daß ein beträchtlich großer Teil des zerstäubten Kraftstoffes in unerwünschter Weise an der konischen Fläche 823 und der konischen Fläche 83 haften bleibt. Das Hülsenelement 8 der beschriebenen Konstruktion kann in einfacher Weise aus einem Kunststoff geformt werden.

Die Querschnittsfläche des Aufnahmeraumes 811 für den Düsenzapfen sollte vorzugsweise kleiner sein als die Gesamtfläche der Verbindungsöffnungen 813 zum Ansaugkanal des Ansaugkrümmerabzweiges 102, wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung, und kann beispielsweise herabgesetzt werden, indem die Breite oder die Umfangsabmessung einer jeden Brücke 84 erhöht wird. Jede Brücke 84 kann vorzugsweise einen keilförmigen Abschnitt mit einem scharfen Rand besitzen, der in Richtung auf den Aufnahmeraum 811 für den Düsenzapfen weist, um die Einflußnahme der Brücken auf die Kraftstoffstrahlen, die die Verbindungsöffnungen 813 durchdringen, minimal zu halten.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung können feine Stäube und andere Partikel, die durch die über den Abgasrückführkanal 111 (siehe Fig. 4) am Abgasrückführventil 102 vorbei rückgeführten Abgase in die Ansaugkammer 103 eingeführt werden, kaum den Abschnitt der Kraftstoffeinspritzeinrichtung um den Düsenzapfen 71 und die Einspritzöffnung 62 herum erreichen, da der Schutzabschnitt 182 vorgesehen ist.

Es wurde ein entsprechendes Experiment wie in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben mit der in den Fig. 11 und 12 dargestellten Kraftstoffeinspritzeinrichtung und einer herkömmlich ausgebildeten Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung JP 60-88070 U beschrieben ist, durchgeführt. Bei diesem Experiment wurden die entsprechenden Kraftstoffeinspritzeinrichtungen in der in Fig. 4 gezeigten Weise an einer Brennkraftmaschine montiert, und es wurden die Abnahmebeträge der Kraftstoffeinspritzmenge in Relation zu experimentellen Motorbetriebszyklen überprüft. Das Ergebnis entsprach im wesentlichen dem in Fig. 6 gezeigten. Mit anderen Worten, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems besaß einen Abnahmegrad der Kraftstoffeinspritzmenge, der etwa 5% betrug, während die herkömmlich ausgebildete Kraftstoffeinspritzeinrichtung einen Abnahmegrad der Kraftstoffeinspritzmenge aufwies, der 35% betrug.


Anspruch[de]
  1. 1. Kraftstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine

    - mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (100) in einem Ansaugkanal stromaufwärts eines Einlaßventils (107),

    - mit einem Nadelventil (7) zur Zumessung des einzuspritzenden Kraftstoffs,

    - mit einem mit dem Nadelventil (7) auf der Abflußseite des Kraftstoffs koaxial verbundenen zylinderförmigen Düsenzapfen (71),

    - mit einer den Düsenzapfen (71) koaxial umgebenden Einspritzöffnung (62) in einem das Nadelventil (7) aufnehmenden Gehäuseteil (6) der Kraftstoffeinspritzeinrichtung,

    - mit einem schmalen Spalt zwischen dem Außenumfang des Düsenzapfens (71) und der inneren Umfangsfläche der Einspritzöffnung (62),

    - mit einem sich an die Einspritzöffnung (62) in Einspritzrichtung anschließenden Aufnahmeraum (811),

    - mit einer oder mehr Verbindungsöffnungen (812) in der den Aufnahmeraum (811) begrenzenden Wand (8) zur Verbindung des Aufnahmeraums mit dem Ansaugkanal,

    - wobei die gesamte Querschnittsfläche (A3) der Verbindungsöffnungen (812) kleiner ist als die Querschnittsfläche (A1) des Aufnahmeraumes (811) senkrecht zur Achse des Nadelventils (7),

    dadurch gekennzeichnet, daß

    das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche (A1) des Aufnahmeraumes (811) für den Düsenzapfen und der Querschnittsfläche (A2) des Düsenzapfens (71) nicht kleiner als 12 ist,

    das Verhältnis zwischen der gesamten Querschnittsfläche (A3) der Verbindungsöffnungen (812) und der Querschnittsfläche (A4) des Spaltes zwischen dem Düsenzapfen (71) und der Einspritzöffnung (62) nicht kleiner als 5,5 ist und

    die eine oder mehr Verbindungsöffnungen (812; 813) auf das Einlaßventil (107) gerichtet sind.
  2. 2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

    - jede Verbindungsöffnung (812) eine Länge (L) in Axialrichtung des Düsenzapfens (71) und einen Minimaldurchmesser (d) aufweist, wobei das Verhältnis zwischen dieser Länge (L) und dem Minimaldurchmesser (d) nicht größer als 2 ist.






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