DE19814693A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit denen Kraftstoff direkt in die Brennkammern eines Verbrennungsmotors eingespritzt wird.

Aus der JP 2-169834-A (1990) ist bereits ein Verbren­ nungsmotor mit einem Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das eine in die Brennkammer des Motors mündende Düsenöff­ nung besitzt. Bei diesem Kraftstoffeinspritzventil wird auf die Kraftstoffströmung eine Schwenkkraft ausgeübt, um die Tröpfchengröße des Kraftstoffnebels sowie die Sprüh­ geschwindigkeit zu reduzieren und um folglich ein Nieder­ schlagen des Kraftstoffs auf der Wand der Brennkammer zu verhindern.

Da in dem Kraftstoffsprühstrahl mit reduzierter Sprühge­ schwindigkeit des Standes der Technik dieser Kraft­ stoffsprühstrahl aufgrund von Luftturbulenzen (Wirbel/Trommeln) in der Brennkammer leicht abgelenkt wird und das Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht stabil dem Bereich in der Nähe der Zündkerze zugeführt werden kann, besteht das Problem, daß die Kraftstoffverbrennung zu Instabilitäten neigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung und ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung zu schaffen, mit denen das Kraftstoff-Luft-Gemisch dem Bereich in der Nähe der Zündkerze zugeführt werden kann, ohne daß der Kraftstoffsprühstrahl aufgrund von Lufttur­ bulenzen in der Brennkammer abgelenkt wird, und mit denen außerdem ein Niederschlag von Kraftstoff auf der Brenn­ kammerwand reduziert werden kann, was zu einer Rußredu­ zierung führt.

Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Kraftstoffeinspritzventil und ein Verfahren zur Kraft­ stoffeinspritzung zu schaffen, mit denen die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verbessert werden kann, die Erzeugung von Ruß reduziert werden kann und die Stabili­ tät der Verbrennung bei hoher Motordrehzahl verbessert werden kann, selbst wenn eine magere Verbrennung erfolgt (Luft-/Kraftstoffverhältnis von ungefähr 20 bis 50).

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kraftstoffeinspritzung, die die in den entsprechenden unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale besitzen. Die abhängigen Ansprüche sind auf zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gerich­ tet.

Zur Lösung der ersten Aufgabe sind in einem Verbrennungs­ motor ein Kraftstoffeinspritzventil, das eine in eine Brennkammer mündende Düsenöffnung besitzt, sowie eine Zündkerze vorgesehen, wobei das Kraftstoffeinspritzventil erfindungsgemäß einen Kraftstoffsprühstrahl bilden kann, der unterschiedliche Durchschnittsgeschwindigkeitsniveaus besitzt.

Zweckmäßig bildet das Kraftstoffeinspritzventil einen Kraftstoffsprühstrahl, der wenigstens während der Hälfte eines einzelnen Kraftstoffeinspritzzyklus eine relativ hohe Geschwindigkeit besitzt und danach eine relativ niedrige Geschwindigkeit besitzt. Dadurch kann das Kraft­ stoff-Luft-Gemisch, das dem Kraftstoffsprühstrahl mit hoher Geschwindigkeit entspricht, dem Bereich in der Nähe der Zündkerze zugeführt werden.

Zur Lösung der weiteren Aufgabe der Erfindung ist ein Kraftstoffeinspritzventil für einen Verbrennungsmotor mit einem Ventilkörper, einem Ventilsitz, einer Düsenöffnung und einer Kraftstofführung in einem Düsenabschnitt verse­ hen. Erfindungsgemäß weist die Kraftstofführung mehrere Kraftstoffverwirbelungskanäle auf, wovon jeder eine unterschiedliche Verwirbelungsstärken schafft.

Zweckmäßig sind die Kraftstoffverwirbelungskanäle mit geringerer Verwirbelungskraft relativ zu den Kraftstoff­ verwirbelungskanälen mit größerer Verwirbelungskraft auf Seiten der Düsenöffnung ausgebildet.

Erfindungsgemäß schlägt sich der Kraftstoffsprühstrahl mit niedriger Geschwindigkeit nicht auf der Brennkammer- Wandoberfläche und der Kolben-Wandoberfläche nieder, sondern verteilt sich in der Brennkammer und bildet zusammen mit der Luft das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch, das aus dem Krafstoffsprüh­ strahl mit hoher Geschwindigkeit gebildet wird, der dem Bereich in der Nähe der Zündkerze zugeführt wird, gezün­ det wird, breitet sich der erzeugte Flammkern aus und wird durch die Sprühstrahlkraft und durch die Luftströ­ mung in dem durch den Kraftstoffsprühstrahl mit niedriger Geschwindigkeit gebildete Kraftstoff-Luft-Gemisch ver­ teilt. Daraus wird deutlich, daß sowohl eine Stabilisie­ rung der Verbrennung als auch die Verhinderung der Erzeu­ gung von Ruß durch Reduzierung des Niederschlags des Kraftstoffsprühstrahls auf der Brennkammer-Wandoberfläche und der Kolben-Wandoberfläche gemeinsam erzielt werden können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausführungen der Erfindung, die auf die beigefügte Zeich­ nung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Aufbaus einer Ausführung der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktions­ weise der Erfindung;

Fig. 3 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung;

Fig. 4 ein nochmals weiteres Diagramm zur Erläute­ rung der Funktionsweise der Erfindung;

Fig. 5 die Struktur des Kraftstoffsprühstrahls der Erfindung;

Fig. 6 einen Längsschnitt des Kraftstoffeinspritz­ ventils der Erfindung;

Fig. 7A-C Ansichten zur Erläuterung des Aufbaus bzw. die Strömungsratenverteilung der Kraftstoff­ verwirbelungseinrichtung einer ersten Ausfüh­ rung der Erfindung;

Fig. 8A-C Ansichten zur Erläuterung des Aufbaus bzw. die Strömungsratenverteilung der Kraftstoff­ verwirbelungseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung;

Fig. 9A-C Ansichten zur Erläuterung des Aufbaus bzw. die Strömungsratenverteilung der Kraftstoff­ verwirbelungseinrichtung einer dritten Aus­ führung der Erfindung;

Fig. 10A-C Ansichten zur Erläuterung des Aufbaus bzw. die Strömungsratenverteilung der Kraftstoff­ verwirbelungseinrichtung einer vierten Aus­ führung der Erfindung;

Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und dem Zündzeitpunkt;

Fig. 12A-D Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise gemäß einer weiteren Ausführung der Erfin­ dung;

Fig. 13 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Sprühmenge der Niederge­ schwindigkeitskomponente, der Verbrennungs­ stabilität und der Rußmenge;

Fig. 14A, B Diagramme zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, dem Zündzeitpunkt, der Verbrennungsstabilität und der Rußmenge;

Fig. 15A-D Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise gemäß einer nochmals weiteren Ausführung der Erfindung;

Fig. 16A eine Querschnittsansicht einer Kraftstoffüh­ rung einer fünften Ausführung der Erfindung;

Fig. 16B eine vertikale Schnittansicht zur Erläuterung eines Zustands des Kraftstoffsprühstrahls;

Fig. 17A eine Querschnittsansicht der Kraftstofführung einer sechsten Ausführung der Erfindung;

Fig. 17B eine vertikale Schnittansicht zur Erläuterung des Zustands des Kraftstoffsprühstrahls für die Kraftstofführung nach Fig. 17A;

Fig. 17C ein Diagramm zur Erläuterung der Strömungs­ verteilung des Kraftstoffsprühstrahls in ra­ dialer Richtung für die Kraftstofführung nach Fig. 17A;

Fig. 18A eine Querschnittsansicht einer Kraftstoffüh­ rung einer siebten Ausführung der Erfindung;

Fig. 18B eine vertikale Schnittansicht zur Erläuterung des Zustands des Kraftstoffsprühstrahls für die Kraftstofführung nach Fig. 18A;

Fig. 18C ein Diagramm zur Erläuterung der Kraftstoff­ verteilung des Kraftstoffsprühstrahls in ra­ dialer Richtung für die Kraftstofführung nach Fig. 18A;

Fig. 19A eine Querschnittsansicht einer Kraftstoffüh­ rung einer weiteren Ausführung der Erfindung, in der der Ventilkörper eine konische Form besitzt;

Fig. 19B eine vertikale Schnittansicht zur Erläuterung des Zustands des Kraftstoffsprühstrahls für die Kraftstofführung nach Fig. 19A;

Fig. 19C eine Ansicht zur Erläuterung der Kraftstoff­ verteilung des Kraftstoffsprühstrahls in ra­ dialer Richtung für die Kraftstofführung nach Fig. 19A;

Fig. 20A, B vertikale Schnittansichten zur Erläuterung des Zustands des Kraftstoffsprühstrahls in einer Kraftstofführung einer weiteren Ausfüh­ rung der Erfindung, in der der Ventilkörper eine konische Form besitzt; und

Fig. 20C eine vertikale Schnittansicht eines beispiel­ haften Zustands des Kraftstoffsprühstrahls für die Kraftstofführung nach Fig. 20A.

In Fig. 1 ist der Aufbau einer Ausführung der Erfindung gezeigt. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 und die Zünd­ kerze 2 sind im Zylinderkopf 50 angebracht. Nach der Messung der Ansaugluftmenge durch einen Luftmengenmesser 43 bewegt sich die Ansaugluft durch die Drosselklappe 41 und erreicht die Brennkammer 51 durch das Ansaugrohr 47 und das Einlaßventil 46. Der Kraftstoffsprühstrahl 3 wird vom Kraftstoffeinspritzventil 1 in den in der oberen Oberfläche des Kolbens 7 ausgebildeten Hohlraum 6 einge­ spritzt. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 wird durch die Steuereinrichtung 45 intermittierend betätigt. Die Steu­ ereinrichtung 45 liest die Signale des Luftmengenmessers 43, die Motordrehzahl N, den Fahrpedalneigungswinkel α und das Signal vom Drosselklappenneigungswinkelsensor 44 und steuert anhand dieser Werte die Kraftstoffein­ spritzmenge, den Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, den Zünd­ zeitpunkt und den Drosselklappenneigungswinkel. Die Drosselklappe 41 kann unabhängig von der Stellung des Fahrpedals durch einen Motor 42 gesteuert werden.

Nun wird mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 die Funktions­ weise der Erfindung erläutert. Fig. 2 zeigt ein Beispiel, in dem der Kraftstoffsprühstrahl mit hoher Geschwindig­ keit zugeführt wird. Der Kraftstoffsprühstrahl wird von dem Kraftstoffeinspritzventil 1 in den in der oberen Fläche des Kolbens 7 ausgebildeten Hohlraum 6 einge­ spritzt. Die Dauer der Kraftstoffeinspritzung ist gegeben durch die Zeitperiode, in der der Kraftstoffsprühstrahl im Hohlraum 6 des Kolbens 7 eingefangen werden kann, beispielsweise in einem Winkelbereich von 30° bis 60° vor dem oberen Totpunkt im Verdichtungshub. Der mit dem Hohlraum 6 zusammenstoßende Kraftstoffsprühstrahl ver­ dampft und bildet den Kraftstoffdampf 4, wobei das brenn­ bare Gasgemisch aus Kraftstoffdampf und Luft in der Nähe der Zündkerze 2 erzeugt wird. Wenn die Sprühstrahlge­ schwindigkeit höher ist, strömt das gasförmige Gemisch aufgrund der Sprühstrahlenergie und der Luftströmung im Verdichtungshub nach oben zur Zündkerze 2. Andererseits bildet der nicht verdampfte restliche Kraftstoff in der Brennkammer eine Flüssigkeitsschicht, die zu einer Redu­ zierung des Kraftstoff-Luft-Gemischs und folglich zu einer Verbrennung mit starker Rußerzeugung führt. Daraus wird deutlich, daß mit dem Kraftstoffsprühstrahl mit hoher Geschwindigkeit das gasförmige Gemisch aus Kraft­ stoff und Luft stabil in die Nähe der Zündkerze 2 gelie­ fert werden kann, daß jedoch die überschüssige Kraft­ stoffmenge einen verbleibenden, nicht verdampften Kraft­ stoff bildet, der für eine Verbrennung mit hoher Rußer­ zeugung verantwortlich ist.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel, in dem ein Kraftstoffsprüh­ strahl mit niedriger Geschwindigkeit zugeführt wird. Wenn die Geschwindigkeit des Kraftstoffsprühstrahls niedrig ist, ist die Menge des auf dem Kolben niedergeschlagenen Kraftstoffs gering, weshalb der Kraftstoff in der Brenn­ kammer gut verteilt werden kann. Der verteilte Kraftstoff verdampft und vermischt sich während des Verdichtungshubs mit der Luft, was zu einer im wesentlichen rußfreien Verbrennung führt. Da jedoch die kinetische Energie des Kraftstoffsprühstrahls gering ist, kann er durch die Luftströmung in der Brennkammer leicht abgelenkt werden, weshalb es schwierig ist, das Gasgemisch dem Bereich in der Nähe der Zündkerze 2 stabil zuzuführen.

Fig. 4 ist ein Graph, auf dessen horizontaler Achse der Kurbelwinkel aufgetragen ist und auf dessen vertikaler Achse der Abstand vom oberen Totpunkt aufgetragen ist. Die Zahl 0 auf der vertikalen Achse hat die Bedeutung des oberen Totpunkts im Verdichtungshub. In dem Sprühstrahl­ muster A, in dem die Sprühstrahlgeschwindigkeit hoch ist, erreicht der Kraftstoffsprühstrahl den Hohlraum 6 bei einem Kurbelwinkel von ungefähr 40°, woraufhin das gas­ förmige Gemisch in der Nähe der Zündkerze 2 durch die Kolbenwirkung und die Sprühstrahlenergie gebildet werden kann. Andererseits erreicht der Kraftstoffsprühstrahl in dem Sprühstrahlmuster B, in dem die Sprühstrahlgeschwin­ digkeit niedrig ist, den Hohlraum 6 bei einem Kurbelwin­ kel von ungefähr 35°, das gasförmige Gemisch erreicht jedoch aufgrund der niedrigen Sprühstrahlenergie die Zündkerze 2 nicht. Obwohl in diesem Fall der Kraft­ stoffsprühstrahl den Hohlraum 6 erreicht, ist der Nieder­ schlag von Kraftstoffflüssigkeit auf der Hohlraumoberflä­ che gering.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Sprühstrahlstruktur gemäß der Erfindung. Der Sprühstrahl 3b mit hoher Geschwindig­ keit ist innerhalb des Sprühstrahls 3a mit niedriger Geschwindigkeit vorhanden. Der Sprühstrahlwinkel des Sprühstrahls mit niedriger Geschwindigkeit ist größer, um die Vermischungswirkung des Kraftstoffs mit der Luft zu fördern. Hingegen ist der Sprühstrahlwinkel des Strahls mit hoher Geschwindigkeit verhältnismäßig klein, um die Richtungsstabilität bei der Reflexion zur Zündkerze 2 zu erhöhen. Da der Sprühstrahl mit hoher Geschwindigkeit während seiner Abwärtsbewegung einen Unterdruck oder Sog erzeugt, wird der Sprühstrahl 3a mit niedriger Geschwin­ digkeit in den Sprühstrahl 3b gesaugt, was zu einer Reduzierung des Sprühstrahlwinkels des Niedergeschwindig­ keitsstrahls 3a führt. Dieses Phänomen tritt deutlich hervor, wenn der Umfangswiderstand gering ist und der Umgebungsdruck hoch ist. Falls beispielsweise der Umge­ bungsdruck zwischen ungefähr 0,3 MPa und 0,5 MPa liegt, wenn der Kraftstoff während des Verdichtungshubs einge­ spritzt wird, um einen Magerverbrennungsbetrieb auszufüh­ ren, ist der Sprühstrahlwinkel geringer als in dem Fall, in dem der Kraftstoff im Ansaughub eingespritzt wird. Dieses Verhalten wird für Direkteinspritzungsmotoren bevorzugt, weil das gasförmige Gemisch im Magerverbren­ nungsbetrieb in der Nähe der Zündkerze lokalisiert werden kann und der Sprühstrahlwinkel groß sein kann, um den Nutzungsgrad der Luft beispielsweise bei einer starken Verbrennung zu erhöhen.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel des Aufbaus der Einspritzdüse. Der Ventilkörper 21 ist mit dem Tauchkolben 24 verbunden und wird durch die Spule 28 angehoben. Die elektrische Spannung wird über den Verbinder 29 intermittierend an die Spule 28 angelegt. Wenn die Spannung nicht angelegt wird, wird der Ventilkörper 21 durch die Feder 30 gegen den Ventilsitz 22 gepreßt. Die Kraftstoffverwirbelungs­ einrichtung 23 zum Verwirbeln des Kraftstoffs ist um den Ventilkörper 21 angeordnet und verwirbelt den einzusprit­ zenden Kraftstoff, wodurch die Zerstäubung des Kraft­ stoffs und seine Verteilung erleichtert werden. Es ist möglich, am Tauchkolben 24 einen Stufenabschnitt aus zu­ bilden, um den Hub des Ventilkörpers 21 am Anschlag 25 zu begrenzen.

Fig. 7 zeigt den Aufbau der Kraftstoffverwirbelungsein­ richtung 23. Um eine Kraftstoffwirbelströmung zu erzeu­ gen, sind Kanäle definiert, die sich von der Mitte der Düse 31 erstrecken und zu dieser um L1 bzw. L2 versetzt sind. In diesem Beispiel ist der Versatz L2 größer als der Versatz L1, weshalb die Drehkraft, mit der der Kraft­ stoff durch den Kanal mit dem Versatz L2 beaufschlagt wird, größer ist. Daher neigt der Kraftstoffsprühstrahl zu einer guten Diffusion, wobei die Sprühstrahlgeschwin­ digkeit in axialer Richtung niedrig ist. Wenn der Kanal 34 mit kleinerem Versatz an der Auslaßseite des Kanals 33 mit größerem Versatz angeordnet ist, kann zunächst ein Kraftstoffsprühstrahl mit geringerer Drehkraft, schmale­ rem Sprühstrahlwinkel und höherer Geschwindigkeit in axialer Richtung gebildet werden, woraufhin der Kraft­ stoffsprühstrahl mit höherer Drehkraft, weiterem Sprüh­ strahlwinkel und geringerer Geschwindigkeit in axialer Richtung gebildet werden kann.

Fig. 8 zeigt einen weiteren Aufbau der Kraftstoffverwir­ belungseinrichtung 23. Um im Kraftstoff eine Wirbelströ­ mung zu erzeugen, sind Kanäle definiert, die sich von der Mitte der Düse 31 erstrecken und zu dieser um L1 bzw. L2 versetzt sind. Auch in diesem Beispiel ist der Versatz L1 kleiner als der Versatz L2, weshalb die Drehkraft, mit der der Kraftstoff durch den Kanal mit Versatz L2 beauf­ schlagt wird, größer ist. Daher neigt der Kraft­ stoffsprühstrahl zu einer guten Diffusion, ferner ist seine Geschwindigkeit in axialer Richtung klein. Der Kanal 34 mit kleinerem Versatz ist stromabseitig vom Kanal 33 mit größerem Versatz angeordnet. Da im vorlie­ genden Beispiel der Kanal 34 jedoch schräg orientiert ist, kann im Vergleich zu dem Aufbau nach Fig. 7 zunächst ein Kraftstoffsprühstrahl mit geringerer Drehkraft, noch schmalerem Sprühstrahlwinkel und noch höherer Geschwin­ digkeit in axialer Richtung gebildet werden.

Fig. 9 zeigt einen weiteren Aufbau der Kraftstoffverwir­ belungseinrichtung 23. Um im Kraftstoff eine Wirbelströ­ mung zu erzeugen, sind Kanäle definiert, die sich von der Mitte der Düse 31 erstrecken und zu dieser um L1 bzw. L2 versetzt sind. Im vorliegenden Beispiel ist der Versatz L1 gleich dem Versatz L2. Daher neigt der Kraft­ stoffsprühstrahl zu einer guten Diffusion, ferner ist seine Geschwindigkeit in axialer Richtung gering. An den Auslaßabschnitten der Kanäle 33 und 34 sind Abschnitte 36 mit größerem Volumen definiert. Daher wird bei Beginn der Öffnung des Kraftstoffeinspritzventils zunächst der in den Abschnitten 36 mit größerem Volumen gespeicherte Kraftstoff eingespritzt. Diese Konfiguration der Ab­ schnitte mit größerem Volumen verkleinert den Versatz des Kanals in bezug auf die Mitte der Düse 31 wesentlich, so daß bei Beginn der Öffnung des Kraftstoffeinspritzventils der Kraftstoffsprühstrahl mit geringerem Sprühstrahlwin­ kel und höherer Geschwindigkeit in axialer Richtung zuerst eingespritzt werden kann. Danach kann in der Kraftstoffströmung durch die Kanäle 33 und 34 der Kraft­ stoffsprühstrahl mit höherer Drehkraft, weiterem Sprüh­ strahlwinkel und geringerer Geschwindigkeit in axialer Richtung gebildet werden.

Fig. 10 zeigt einen weiteren Aufbau der Kraftstoffverwir­ belungseinrichtung 23. Um im Kraftstoff eine Wirbelströ­ mung zu erzeugen, sind Kanäle definiert, die sich von der Mitte der Düse 31 erstrecken und zu dieser um L1 bzw. L2 versetzt sind. Auch im vorliegenden Beispiel ist der Versatz L1 gleich dem Versatz L2. Daher neigt der Kraft­ stoffsprühstrahl zu einer guten Diffusion, ferner ist die Sprühstrahlgeschwindigkeit in axialer Richtung gering. An den Auslaßabschnitten der Kanäle 33 und 34 sind Ab­ schnitte 36 mit vergrößertem Volumen ausgebildet. Somit wird bei Beginn der Öffnung des Kraftstoffeinspritzven­ tils zunächst der in den Abschnitten mit vergrößertem Volumen gespeicherte Kraftstoff eingespritzt. Diese Konfiguration der Abschnitte 36 mit vergrößertem Volumen verkleinert den Versatz des Kanals in bezug auf die Mitte der Düse wesentlich, weshalb bei Beginn der Öffnung des Kraftstoffeinspritzventils zunächst der Kraftstoffsprüh­ strahl mit schmalerem Sprühstrahlwinkel und höherer Geschwindigkeit in axialer Richtung eingespritzt werden kann. Danach kann in der Kraftstoffströmung durch die Kanälen 33 und 34 der Kraftstoffsprühstrahl mit höherer Drehkraft, weiterem Sprühstrahlwinkel und geringerer Geschwindigkeit in axialer Richtung gebildet werden. Da der Abschnitt 36 mit vergrößertem Volumen im Vergleich zu dem Aufbau nach Fig. 9 in Umfangsrichtung gleichmäßig und kontinuierlich ausgebildet ist, ist seine Herstellung einfacher.

In den Fig. 11A und 11B ist die Beziehung zwischen dem Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und dem Zündzeitpunkt ge­ zeigt. In Fig. 11A wird der Kraftstoff während des An­ saughubs eingespritzt, woraufhin das gasförmige Gemisch des Kraftstoffs und der Luft während der Ansaug- und Verdichtungshübe gezündet wird, bevor der Kurbelwinkel den oberen Totpunkt erreicht. In diesem Betriebszustand, in dem das vom Motor erzeugte Drehmoment größer ist und die Menge des eingespritzten Kraftstoffs höher ist, wird im voraus eingemischte Luft gebildet. Fig. 11B zeigt ein Beispiel einer Schichtladungsverbrennung für eine Mager­ verbrennung. Wenn die Kraftstoffeinspritzung in der Nähe des oberen Totpunkts im Verdichtungshub, beispielsweise 40° vor dem oberen Totpunkt, beendet ist, tritt nach einer Transportverzögerung wegen der Position der Zünd­ kerze zunächst ein Kraftstoffsprühstrahl mit hoher Ge­ schwindigkeitskomponente auf, woraufhin der Kraft­ stoffsprühstrahl mit niedriger Geschwindigkeitskomponente beginnt. Wie oben beschrieben worden ist, wird die Kompo­ nente mit hoher Geschwindigkeit durch die starke Luft­ strömung in der Brennkammer nicht beeinflußt, so daß in der Nähe der Zündkerze ein stabiles gasförmiges Gemisch gebildet werden kann. Zweckmäßig wird das gasförmige Gemisch gezündet, wenn die Hochgeschwindigkeitskomponente die Zündkerze erreicht.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 12 der Kraftstoffeinspritz­ vorgang anhand seiner Beziehung zum Motorbetrieb be­ schrieben. In Fig. 12A wird der Kraftstoffsprühstrahl mit Hochgeschwindigkeitskomponente vom Kraftstoffeinspritz­ ventil 1 in den Kolbenhohlraum 6 eingespritzt. Der einge­ spritzte Kraftstoff trifft auf den Kolbenhohlraum 6 auf, verdampft und wird aufgrund der Energie des Kraft­ stoffsprühstrahls und der Luftströmung in der Brennkammer zur Zündkerze 2 hochgeblasen. Wenn danach der Kraft­ stoffsprühstrahl mit niedriger Geschwindigkeitskomponente in der Brennkammer verteilt wird, wird der Kraft­ stoffsprühstrahl mit hoher Geschwindigkeitskomponente gezündet, woraufhin sich der so gebildete Flammkern in das durch den Kraftstoffsprühstrahl mit niedriger Ge­ schwindigkeitskomponente gebildete gasförmige Gemisch ausbreitet, ferner wird der Flammkern aufgrund des Kraft­ stoffsprühstrahls und der Luftströmung verteilt.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen der Sprühmenge der niedrigen Geschwindigkeitskomponente und der Stabilität der Verbrennung sowie der Rußkonzentra­ tion. Wenn die Sprühmenge der niedrigen Geschwindigkeits­ komponente ansteigt, steigt die Verbrennungsstabilität an. Wenn jedoch der Anteil der niedrigen Geschwindig­ keitskomponente des Sprühstrahls zu groß ist, nimmt der Niederschlag von Kraftstoff auf der oberen Kolbenfläche zu, weshalb einerseits die Rußmenge ansteigt und anderer­ seits die Verbrennungsstabilität abnimmt. Da im vorlie­ genden Beispiel die Gesamtsprühmenge ungefähr 15 mm³/Impuls beträgt, steigt die Rußmenge an, wenn 50% der Gesamtsprühmenge durch den Kraftstoffsprühstrahl mit schmalem Sprühstrahlwinkel und hoher Geschwindigkeit gegeben sind. Unter der Bedingung, daß der Kraftstoff­ druck 10 MPa beträgt, beträgt die Durchschnittsgeschwin­ digkeit der Hochgeschwindigkeitskomponente des Kraft­ stoffsprühstrahls bei einem Umgebungsdruck von 0,3 MPa ungefähr 12 m/s, während die Durchschnittsgeschwindigkeit der Niedergeschwindigkeitskomponente des Kraftstoffsprüh­ strahls unter dieser Bedingung ungefähr 6 m/s beträgt. Im Hinblick auf die Verteilung des Kraftstoffsprühstrahls in der Brennkammer liegt der Sprühstrahlwinkel für die Niedergeschwindigkeitskomponente zweckmäßig zwischen 60° und 90° und für die Hochgeschwindigkeitskomponente zweck­ mäßig zwischen 20° und 50°.

In den Fig. 14A und 14B ist die Verbrennungsstabilität (Schwankung des durchschnittlichen effektiven Drucks oder des Motordrehmoments) und die Rußausstoßmenge in Abhän­ gigkeit von den Parametern Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und Zündzeitpunkt gezeigt. Aus diesem Beispiel wird deutlich, daß die Verbrennung stabil ist, wenn der Zünd­ zeitpunkt auf ungefähr 30° nach dem Kraftstoffeinspritz­ zeitpunkt gesetzt ist. Die Dauer, in der das gasförmige Gemisch aus Kraftstoff und Luft beibehalten wird, ist länger, außerdem wird der Nutzungsgrad der Luft durch den früheren Kraftstoffeinspritzzeitpunkt höher, weshalb die Menge ausgestoßenen Rußes abnimmt. Daher können der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt und der Zündzeitpunkt für die Optimierung der Verbrennungsstabilität so gewählt werden, daß die Menge des ausgestoßenen Rußes nicht ansteigt.

Fig. 15 zeigt ein Beispiel, in dem der Kraftstoff von der Oberseite der Brennkammer 51 eingespritzt und von der Seite gezündet wird. Die Hochgeschwindigkeitskomponente des Kraftstoffsprühstrahls stößt mit der oberen Fläche des Kolbens zusammen, wobei durch Verschieben des ver­ dampften Kraftstoffs in den Bereich der Nähe der Zünd­ kerze 2 durch die mit einem Pfeil markierte Luftströmung sowie durch die Diffusion des Kraftstoffsprühstrahls mit niedriger Geschwindigkeitskomponente in der Brennkammer das Auftreten von Ruß verhindert werden kann. Da im vorliegenden Beispiel die Hochgeschwindigkeitskomponente des Kraftstoffsprühstrahls sicherlich mit dem Kolben zusammenstößt und verdampft, kann das brennbare gasför­ mige Gemisch durch die Luftströmung, beispielsweise durch eine Trommelströmung, stabil zur Zündkerze geführt wer­ den.

In der in den Fig. 16A und 16B gezeigten fünften Ausfüh­ rung der Kraftstofführung 23 wird die Geschwindigkeits­ verteilung in der Düse dadurch gesteuert, daß die Fläche eines Umgehungskanals in einem besonderen Abschnitt 55a des Umgehungskanals 55 von der Fläche des übrigen Umge­ hungskanals 55 verschieden ist, um einen Kraftstoffsprüh­ strahl in einer von der Düsenachse verschiedenen Richtung zu bilden. Unter der Bedingung, daß die Freiheit beim Einbau des Kraftstoffeinspritzventils 1 beschränkt ist, ist es vorteilhaft, die Kraftstoffeinspritzrichtung beliebig festlegen zu können. Außerdem wird es unnötig, einen Prozeß zum Neigen der Düse in eine besondere Rich­ tung auszuführen.

Fig. 17 zeigt eine sechste Ausführungsform der Kraft­ stofführung 23 des Kraftstoffeinspritzventils 20. Die Kraftstofführung 23 ist längs senkrecht sich schneiden­ der imaginärer Linien X-X und Y-Y vorgesehen, die durch die Mitte der Kraftstofführung 23 ohne Versatz in einem Kraftstofführungskanal 34b verlaufen, so daß der Kraft­ stoff von gegenüberliegenden und zueinander senkrechten Kraftstofführungskanälen 34b ausströmt und einer Kolli­ sion mit dem jeweils anderen Strahl unterworfen wird. Da der Kraftstoff, der einer Kollision unterworfen worden ist, eine zur Mitte gerichtete Geschwindigkeitskomponente besitzt, kann ein Kraftstoffsprühstrahl mit gefülltem Kern, bei dem selbst in der Mitte Kraftstoff vorhanden ist, gebildet werden.

Die Fig. 18A bis 18D zeigen eine neunte Ausführung der Kraftstofführung 23 des Kraftstoffeinspritzventils 20. Ein kegelförmiger Kraftstoffsprühstrahl wird durch eine Kraftstoffverwirbelungsnut 33a und die Kraftstofführungs­ öffnung 34b gebildet, ferner wird in dem kegelförmigen Kraftstoffsprühstrahl durch Kollision ein Kraft­ stoffsprühstrahl gebildet. Indem der Kraftstoffverwirbe­ lungsnut 33a ein Versatz L1 verliehen wird, wird der Kraftstoff verwirbelt versprüht, ferner ist die Kraft­ stofführung 23 längs sich senkrecht schneidender imagi­ närer Linien X-X und Y-Y vorgesehen, die durch die Mitte der Kraftstofführung 23 ohne Versatz in Kraftstoffüh­ rungskanälen 34b verlaufen, wodurch der Kraftstoff von gegenüberliegenden und zueinander senkrechten Kraft­ stofführungskanälen 34b ausströmt und einer Kollision unterworfen wird. Um eine übermäßige Konzentration des Kraftstoffs in der Mitte des Kraftstoffstrahls zu ver­ meiden, kann die Gesamtquerschnittsfläche der Kraftstoff­ verwirbelungsnut 33a, mit der der Kraftstoff kollidiert, kleiner als die Gesamtquerschnittsfläche des Kraftstof­ führungskanals 34b gemacht werden.

In den Fig. 19A bis 19C ist eine Ausführung der Erfindung gezeigt, in dem der Ventilkörper 21 des Kraftstoffein­ spritzventils 1 abgewandelt ist. In dieser Ausführung besitzt der Ventilkörper 21 eine kegelförmige Konfigura­ tion. Durch die Kegelform des Ventilkörpers 21 wird an der Auslaßseite des Ventilkörpers 21 kaum ein Hohlraum ausgebildet, so daß die Bildung eines hohlen Kraft­ stoffsprühstrahls verhindert wird. Ein kleinerer Konus­ winkel α ergibt einen kleineren Sprühstrahlwinkel, wo­ durch der Füllgrad erhöht wird. In der gezeigten Ausfüh­ rung ist der Ventilkörper 21 im Vergleich zu der Ausfüh­ rung nach Fig. 7 abgewandelt. In Verbindung damit sind die Kraftstofführungsöffnungen 33a und 34a in X-Richtung um L1 und in Y-Richtung um L2 in derselben Ebene ver­ setzt.

Fig. 20 zeigt eine Ausführung, in der die erste Ausfüh­ rung der Kraftstofführung 23 des Kraftstoffeinspritzven­ tils 20 in eine kegelförmige Konfiguration wie in Fig. 12 gezeigt abgewandelt ist. Wie in Fig. 20A gezeigt ist, ist ein Spalt 50' zwischen dem Ventilkörper 21 und dem Ven­ tilsitz 22 näher beim Auslaß der Düse 31 kleiner. Wie in Fig. 20C gezeigt ist, wird, wenn der Spalt 50' näher an der Düse 31 größer ist, eine expandierende Strömung geschaffen, die die Bildung eines Hohlraums erleichtert. Sobald der Hohlraum gebildet worden ist, wird auf der Auslaßseite des Ventilkörpers 21 ein hohler Abschnitt ohne Kraftstoff gebildet, wodurch einfach ein Kraft­ stoffsprühstrahl mit hohler Konfiguration geschaffen werden kann. Wenn der in Verbindung mit dem Ventilkörper 21 definierte Spalt 50' so beschaffen ist, daß er die Strömung verschmälert, wird die Kraftstoffströmung sta­ bil, ferner kann das Auftreten eines Hohlraums vermieden werden, wodurch ein Kraftstoffsprühstrahl mit gefülltem Kern geschaffen wird. Beschränkungen hinsichtlich der Bildung des Hohlraums können ebenfalls der Stabilisierung der Kraftstoffmenge dienen. Außerdem kann die Meßgenauig­ keit verbessert werden.

Erfindungsgemäß können durch die Bildung eines Kraft­ stoffsprühstrahls mit unterschiedlichen Durchschnittsge­ schwindigkeitsniveaus und durch Einspritzen des Kraft­ stoffsprühstrahls in die Brennkammer einerseits eine stabile Verbrennung erreicht und andererseits die Erzeu­ gung von Ruß durch Reduzierung des Niederschlags von Kraftstoff auf der Brennkammer-Wandoberfläche und auf der Kolbenwandoberfläche zugleich erzielt werden.

Claims (25)

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbren­ nungsmotor, mit
einem Kraftstoffeinspritzventil (1) mit einer in eine Brennkammer (51) des Verbrennungsmotors mündenden Düse (31) und
einer Zündkerze (2),
dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffeinspritzventil (1) einen Kraft­ stoffsprühstrahl (3) erzeugt, der unterschiedliche Durch­ schnittsgeschwindigkeitsniveaus besitzt.

2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffeinspritzventil (1) wenigstens während der Hälfte eines einzelnen Kraftstoff­ einspritzzyklus einen Kraftstoffsprühstrahl (3b) mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit bildet und danach einen Kraftstoffsprühstrahl (3a) mit verhältnismäßig niedriger Geschwindigkeit bildet.

3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, das einen Kraft­ stoffsprühstrahl (3b) mit hoher Geschwindigkeit enthält, einem Bereich in der Nähe der Zündkerze (2) zugeführt wird.

4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, wenn das einen Kraftstoffsprühstrahl (3b) mit hoher Geschwin­ digkeit enthaltende Kraftstoff-Luft-Gemisch einem Bereich in der Nähe der Zündkerze (2) zugeführt wird.

5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in der Periode liegt, in der ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Hohl­ raum (6), der in der oberen Fläche eines Kolbens (7) ausgebildet ist, eingefangen werden kann.

6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftstoffeinspritzzeitpunkt in der Periode liegt, in der ein Kraftstoffsprühstrahl (3a) mit niedri­ ger Geschwindigkeit nicht auf die Zylinderwandoberfläche auftrifft.

7. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoffeinspritzventil (1) in einer Sei­ tenfläche eines Zylinderkopfes (50) angeordnet ist und die Zündkerze (2) in der Nähe der Mitte des Zylinderkopfes (50) angeordnet ist.

8. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündeinrichtung (2) in einer Seitenfläche eines Zylinderkopfes (50) angeordnet ist und eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (1) im we­ sentlichen in der Mitte des Zylinderkopfes (50) angeord­ net ist.

9. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sprühwinkel eines Kraftstoffsprühstrahls (3a) mit niedriger Geschwindigkeit in der Weise gewählt ist, daß der Kraftstoffsprühstrahl (3a) am unteren Totpunkt die Oberseite des Kolbens (7) erreicht.

10. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trommel- oder Wirbel-Luftströmung verwendet wird.

11. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Kraftstoffeinspritzventil (1) auf einer Einlaßseite eines Ventilkörpers (21) einen Kraftstoffver­ wirbelungsabschnitt (23) besitzt und
ein Kanal (33) von mehreren Kraftstoffkanälen im Kraftstoffverwirbelungsabschnitt (23) in bezug auf den Mittelpunkt der Düse (31) einen größeren Versatz (L2) als ein weiter stromaufseitig befindlicher Kanal (34) be­ sitzt.

12. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Kraftstoffeinspritzventil (1) auf der Einlaß­ weite eines Ventilkörpers (21) einen Kraftstoffverwirbe­ lungsabschnitt (23) aufweist und
in einem Auslaßabschnitt eines Kraftstoffkanals (33, 34) des Kraftstoffverwirbelungsabschnitts (23) ein vergrößerter Abschnitt (36) ausgebildet ist.

13. Kraftstoffeinspritzventil für einen Verbrennungs­ motor, das einen Ventilkörper (21), einen Ventilsitz (22), eine Düsenöffnung (D1) und eine Kraftstofführung (23) in einem Düsenabschnitt enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstofführung (23) mehrere Kraftstoffver­ wirbelungskanäle (33, 34) aufweist, wovon jeder eine Wirbelströmung mit unterschiedlicher Stärke erzeugt.

14. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffverwirbelungskanäle (34) mit gerin­ gerer Verwirbelungsstärke relativ zu den Kraftstoffver­ wirbelungskanälen (33) mit höherer Verwirbelungsstärke auf Seiten der Düsenöffnung (31) ausgebildet sind.

15. Kraftstoffeinspritzventil für einen Verbrennungs­ motor, das einen Ventilkörper (21), einen Ventilsitz (22), eine Düsenöffnung (31) und eine Kraftstofführung (23) in einem Düsenabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kraftstofführung (23) mit mehreren Kraft­ stofführungskanälen (34b), die längs imaginärer Linien (X-X, Y-Y) verlaufen, die eine Mittellinie der Düsenöff­ nung (31) schneiden, versehen ist und
die Kraftstofführungskanäle (34b) so ausgebildet sind, daß die durch sie gebildeten Kraftstoffströmungen aufeinandertreffen können.

16. Kraftstoffeinspritzventil für einen Verbrennungs­ motor, mit einem Ventilkörper (21), einem Ventilsitz (22), einer Düsenöffnung (31) und einer Kraftstofführung (23) in einem Düsenabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstofführung (23) mit mehreren Kraft­ stofführungskanälen (34b), die längs imaginärer Linien (X-X, Y-Y) verlaufen, die eine Mittellinie der Düsenöff­ nung (31) schneiden, sowie mit mehreren Kraftstoffverwir­ belungskanälen (33a) versehen ist.

17. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Verwirbelungskanäle (33a) zur Auslaßseite der Düsenöffnung (31) geneigt ist.

18. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kraftstoffverwirbelungskanälen (33a) wenigstens eine Kammer (36) für unverwirbelten Kraftstoff ausgebildet ist, in der sich nicht verwirbelter Kraft­ stoff befindet.

19. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstofführung (23) einen Umgehungskraft­ stoffkanal (55) enthält, durch den Kraftstoff von der Einlaßseite zur Auslaßseite transportiert werden kann.

20. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Umgehungskanäle (55) vorgesehen sind und die Kanalquerschnittsflächen (55a) der jeweiligen Umgehungskanäle (55) unterschiedlich sind.

21. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalquerschnittsfläche eines Spalts (50') zwischen dem Ventilkörper (21) und dem Ventilsitz (22) in Richtung zum Düsenausgang abnimmt, um das Auftreten eines Hohlraums zu verhindern.

22. Verfahren zum direkten Einspritzen von Kraftstoff den Brennraum (51) eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt:
Sprühen des Kraftstoffs auf derselben Mittellinie unter mehr als zwei unterschiedlichen Sprühwinkeln.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kraftstoff mit kleinerem Sprühwinkel vor dem Kraftstoff mit größerem Sprühwinkel gesprüht wird.

24. Verfahren zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in Zylinder eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt:
Sprühen von Kraftstoffanteilen mit unterschiedli­ chen Partikelradien auf derselben Mittellinie.

25. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kraftstoffanteil mit Partikeln mit größerem Radius vor dem Kraftstoffanteil mit Partikeln mit kleine­ rem Radius und unter einem kleinerem Sprühwinkel gesprüht wird.