DE4441092A1 - Ventil zur Einbringung von Kraftstoff oder Kraftstoff-Luft-Gemisch - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Ventil nach der Gattung des Pa­ tentanspruchs 1 aus. Bei einem solchen durch die SAE-Paper 72 00 52, Januar 1972 bekannten Ventil wird Kraftstoff in Form eines weichen, weiten Strahlkegels in dem Brennraum eingebracht, derart, daß in die Nähe der ebenfalls vorgese­ henen Zündkerze ein kraftstoffreiches zündfähiges Gemisch bei sonst im Durchschnitt magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch gelangt. Der Vorteil der dort beschriebenen Direkteinsprit­ zung besteht darin, daß eine Ladungsschichtung von kraft­ stoffreichem Gemisch im sonst kraftstoffarmen Gemisch er­ reicht werden kann derart, daß das reichere Gemisch gezündet werden kann und dennoch ein Betrieb mit einer Luftzahl von einem durchschnittlich hohen Δ<1 ermöglicht wird. Dies be­ wirkt weiterhin, daß ein hoher Durchbrenngrad des in dem Brennraum eingebrachten Kraftstoffs erzielt wird, bei gün­ stigen thermodynamischen Bedingungen und vor allen Dingen bei geringen Ladungswechselverlusten, die sich bei der An­ drosselung der Einlaßkanäle bei sonstigen bekannten fremdge­ zündeten Brennkraftmaschinen ergeben. Dies führt zu insge­ samt einem niedrigen Kraftstoffverbrauch. Das Hauptproblem dabei ist, daß einerseits die kraftstoffreiche, fette Ge­ mischschicht sich zum Zündungszeitpunkt im Bereich der Zünd­ kerze befinden muß und andererseits sich der Kraftstoff mög­ lichst vollständig mit Luft mischen soll und sich nicht an der Brennraumoberfläche ablagert. Die Lage des Strahlkegels ist somit ein schwierig zu lösendes Problem, da der Strahl­ kegel einerseits kurz genug sein muß, um im Brennraum zu verbleiben und nicht auf die Wand des Brennraumes aufzutref­ fen, andererseits aber die Zündkerzenelektrode mit einem ausreichend fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgen soll. Dieses Problem besteht sowohl beim Zweitakt-Brennverfahren als auch beim Viertakt-Brennverfahren. Es ist außerdem unab­ hängig vom Einspritzsystem allgemein, ob nun der Kraftstoff direkt als Kraftstoff eingespritzt wird oder mit Luftumfas­ sung als Gemisch eingeblasen wird. Bei Zweitaktmotoren kommt erschwerend hinzu, daß ausgeprägte Frischluftzonen und Rest­ gaszonen in dem Brennraum bestehen aufgrund der besonderen Spülverhältnisse zwischen den einzelnen Arbeitstakten. Be­ dingung für eine ausreichend gute Entflammung ist es, daß sowohl Kraftstoffstrahl als auch Zündkerze im Bereich einer Frischluftzone sind. Dabei ergeben sich insbesondere räumli­ che Probleme. Aus dem Abstand zwischen dem Einspritzstrahl einerseits und der Lage der Zündkerze andererseits ergibt sich in der Regel ein relativ hoher Kegelwinkel des Strahl­ kegels verbunden mit dem Nachteil, daß eine erhebliche Be­ netzung der Zylinderwand aufgrund der räumlichen Verhält­ nisse nicht vermieden werden kann. Der auf die Wand aufge­ brachte Kraftstoff verdampft bei relativ kalter Brennraum­ wand schlecht im Gegensatz zum Auftreffen von Kraftstoff auf den heißeren Kolben der Brennkraftmaschine und nimmt somit an der Verbrennung nicht teil und verläßt den Brennraum schließlich unverbrannt als HC-Belastung des Abgases. Wei­ terhin wird der Kraftstoffverbrauch unnötig erhöht. Der wei­ tere Nachteil besteht darin, daß aufgrund des breiten Kegel­ strahles die Gefahr besteht, daß im Bereich der zylindri­ schen Wand der dort vorhandene Schmierfilm aufgelöst bzw. abgewaschen wird und somit die Gefahr eines schnelleren Ver­ schleißes der Zylinderlaufbahn besteht.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil mit den kennzeichnenden Merkma­ len des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der schirmartige Einspritzstrahl oder Spritzkegel mit einem relativ kleinen Kegelwinkel ausgebildet werden kann, was den Vorteil einer geringeren Wandbenetzung hat und daß durch die Ausnehmung der schirmartige Einspritzstrahl im Bereich der Ausnehmung in einem Winkel verläuft, der größer ist als der Winkel der übrigen Strahlteile. Somit bildet sich senkrecht zur Achse der Ventilnadel eine nasenartige Ausbuchtung des Einspritzstrahles als Zündstrahl zur Zündkerze hin derart, daß die Zündkerze ausreichend mit Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt wird unter Vermeidung der eingangs genannten Nach­ teile.

In vorteilhafter Weise wird der vom Kraftstoffeinspritzven­ til abgespritzte Einspritzstrahl schirmartig durch sich an den Ventilsitz des Kraftstoffeinspritzventils anschließende ringförmige Leitfläche formiert, die insbesondere gemäß Pa­ tentanspruch 4 kegelförmig ausgebildet ist. Dabei kann gemäß Patentanspruch 2 eine entsprechende Leitfläche auch am Ven­ tilkopf vorgesehen sein. Vorteilhaft weist dabei die Ausneh­ mung an der ringförmigen Leitfläche, die sich an den Ventil­ sitz anschließt, eine Mantelfläche auf, die in Verlängerung des Ventilsitzes verläuft, so daß der zwischen Ventilkopf und Ventilsitz ausströmende Kraftstoff oder das entspre­ chende Kraftstoff-Luft-Gemisch bei einer Ausbildung als Ein­ blasventil ohne Ablenkung zur Ausnehmung gelangt, so daß sich eine wirkungsvolle Ausprägung des von dem übrigen Ein­ spritzstrahl abweichenden Teils im Bereich Zündstrahl er­ gibt. In einer weiteren Ausgestaltung gemäß Anspruch 7 wird eine weitere Ablenkung des Zündstrahls durch eine Beugung an der Übergangskante zwischen Ventilsitz und Ausnehmung gebil­ det unter Berücksichtigung besonderer Einbauverhältnisse im Brennraum.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschrei­ bung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung mit der Anordnung einer Zündkerze und eines Ventils gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen Teilschnitt durch das Ventil im Bereich des Austritts des Kraftstoffs bzw. des Kraftstoff- Luft-Gemisches in einer ersten Ausführungsform, Fig. 3 ei­ nen Teilschnitt durch das Ventil im Bereich des Austritts von Kraftstoff bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer zweiten Ausführungsform, Fig. 4 einen Teilschnitt durch das Ventil im Bereich des Austritts von Kraftstoff bzw. Kraftstoff-Luft in einer dritten Ausführungsform und Fig. 5 eine Draufsicht auf dieses Ventil auf seiner Austrittsseite unter Weglassung der Ventilnadel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Brennraum 2 einer Brennkraftmaschine dar­ gestellt, der einerseits von einem Zylinderkopf 3 und ande­ rerseits von einer Zylinderbüchse 4 begrenzt ist, in der ein nicht weiter gezeigter Kolben der Brennkraftmaschine den Brennraum stirnseitig begrenzt. Im vorliegenden Falle han­ delt es sich dabei um eine Brennkraftmaschine, die nach dem Zweitakt-Brennverfahren arbeitet, wobei bei zum unteren Tot­ punkt bewegten Kolben der Brennraum durch zugeführte Luft gemäß den eingezeigten Pfeilen 5 gespült und mit Frischluft gefüllt wird, die beim nachfolgenden Aufwärtshub des Pumpen­ kolbens gegen den oberen Totpunkt hin verdichtet wird und in die vorliegenden Falle eines Schichtbrennverfahrens Kraft­ stoff über ein Ventil 6 eingebracht wird. Bei der frisch eingebrachten Luft kann es sich auch um ein Basis-Kraft­ stoff-Luft-Gemisch handeln, das dem Brennraum zugeführt wird und das beim Spülvorgang das vorher verbrannte Kraftstoff- Luft-Gemisch aus dem Brennraum zu einer Auslaßseite, in der Fig. 1 links, verdrängt. Dies sind bekannte Konstruktionen, die im vorliegenden Falle nicht näher beschrieben werden brauchen, da sich der Kern der erfindungsgemäßen Ausgestal­ tung hauptsächlich auf die Einbringung von Kraftstoff oder Kraftstoff-Luft-Gemisch bezieht. Es ist bekannt, daß ein im Durchschnitt relativ mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch mit ei­ ner Luftzahl von λ<1, das bei homogener Durchmischung durch eine übliche Zündkerze nicht mehr gezündet werden könnte, dann jedoch in der Brennkraftmaschine verbrannt wer­ den kann, wenn zur Zündung dieses Gemisches partiell ein re­ lativ kraftstoffreiches Gemisch zur Verfügung steht, das sich im Bereich des Zündfunkens der Zündkerze befindet. In den Zylinderkopf 3 ist zu diesem Zweck eine Zündkerze 7 ein­ gebracht, die ein kraftstoffreiches Gemisch dadurch erhält, daß in das relativ magere Basisgemisch, das auch nur Luft sein kann, Kraftstoff durch das Ventil 6 so eingebracht wird, daß der Kraftstoff auch in die Nähe der Zündkerze ge­ langt. Wie eingangs bereits erwähnt, läßt sich auf diese Art und Weise der Kraftstoffverbrauch und auch das Emissionsver­ halten der Brennkraftmaschine verbessern.

Das Ventil 6, über das der Kraftstoff oder das Kraftstoff- Luft-Gemisch spätestens zum Zündzeitpunkt eingebracht wird und die Zündkerze 7 sind an einer Stelle des Brennraums an­ geordnet, die beim Spülvorgang von Restgasinseln befreit ist, so daß ausreichend Sauerstoff zur Bereitstellung eines zündfähigen Gemisches und zum weiteren Durchbrennen des Restgemisches im Brennraum zur Verfügung steht. Dies gilt insbesondere für Brennkraftmaschinen im Zweitaktverfahren. Bei Viertaktbrennkraftmaschinen sind diese Verhältnisse we­ niger kritisch.

Das Ventil zur Einbringung von Kraftstoff oder Kraftstoff- Luft-Gemisch ist als Ventil mit einer nach außen sich öff­ nenden Ventilnadel 9 konzipiert, die einen Ventilkopf 10 aufweist. Ein solches Ventil erzeugt einen schirmartigen Einspritzstrahl 12, der im wesentlichen einen Kegelmantel beschreibt mit einem definierten spitzen Winkel, der im vor­ liegenden Falle 30° beträgt. Der Winkel dieses Strahles wird so konzipiert, daß er möglichst wenig Berührung mit den Wän­ den des Brennraumes, insbesondere in Wänden der Zylinder­ büchse 2 hat, damit sich kein Kraftstoff, wie eingangs be­ reits geschildert, unmittelbar an den Brennraumwänden nie­ derschlägt. Die Zündkerze weist eine Mittelelektrode 14 und eine Masseelektrode 15 auf, die einander so zugeordnet sind, daß zwischen ihren Enden ein Zündfunke 16 überspringt, der im wesentlichen in der Mantelfläche des Einspritzstrahles 12 oder nahe diesem liegt. Dabei muß die dynamische Luftbewe­ gung der Brennraumfüllung weiterhin in Betracht gezogen wer­ den. Die Zuordnung ist eine Sache einer Optimierung.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch das Ende des Ventils 6 ge­ zeigt mit dem Ventilkopf 10 und der Ventilnadel 9. Die Ven­ tilnadel kann dabei die Ventilnadel eines Kraftstoffein­ spritzventils sein und durch eine Rückstellfeder in die Schließstellung gebracht werden und durch den zugeführten Kraftstoff in Öffnungsrichtung bewegt werden, oder es wird die Ventilnadel aktiv angesteuert, z. B. durch einen Elek­ tromagneten, der in Zusammenwirkung mit Rückstellmitteln die Ventilnadel in eine geöffnete oder geschlossene Stellung bringt. Der Kraftstoff oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in einem die Ventilnadel 9 umgebenden Ringraum 17 zum Ven­ tilkopf 10 gefördert. Dabei kann eine Gemischbildung direkt in dem Ventil erfolgen, indem im Bereich stromaufwärts des Ventilkopfes Kraftstoff und Luft zugeführt wird, wobei in vorteilhafter Weise der zugeführte Kraftstoff durch ein wei­ teres Ventil dosiert wird.

Der Ventilkopf weist eine zum Inneren des Ventils weisende kegelige Mantelfläche 19 auf, die als Dichtfläche bearbeitet ist und mit einem kegelförmigen Ventilsitz 20 des Gehäuses 21 des Einspritzventils zusammenwirkt. Dabei geht die Man­ telfläche 22 des Ringraumes 17 direkt in den Ventilsitz 20 über. Diesem folgt eine ringförmige Leitfläche 24, die ent­ weder zylindrisch ausgeführt ist oder einen sich zum Brenn­ raum öffnenden spitzen Winkel hat, der wesentlich geringer ist als der spitze Winkel des kegelförmigen Ventilsitzes 20. Der Leitfläche 24 radial gesehen zugeordnet ist ein zylin­ drischer oder ebenfalls leicht kegelförmiger Abschnitt 25 am Ventilkopf. Dieser Abschnitt schließt sich an die Mantelflä­ che 19 an und bildet zusammen mit der Leitfläche 24 einen Ringspalt. Mit Hilfe dieser Zuordnung wird der vorerwähnte schirmartige Einspritzstrahl 12 gebildet, mit einer durch die Geometrie der Leitfläche 24 und des zylindrischen Teils 25 bestimmten Winkel.

In erfindungsgemäßer Weiterbildung wird die Leitfläche 24 durch eine Ausnehmung 26 unterbrochen. Diese hat eine von der Achse 28 der Ventilnadel abgewandte Mantelfläche 29, die in etwa in Verlängerung des Ventilsitzes 20 liegt mit etwa dem gleichen Winkel zur Längsachse 28 der Ventilnadel. Im Bereich dieser Ausnehmung wird der vom Ventil abgegebene Kraftstoff oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch weniger abge­ lenkt als im Bereich der übrigen Leitfläche 24, so daß sich ein in Fig. 1 dargestellter Nebenstrahl oder Zündstrahl 31 bildet, der eine Unterbrechung des kegelförmigen Verlaufes des Einspritzstrahles 12 in diesem Bereich darstellt. Dieser Zündstrahl ist zur Zündkerze hin orientiert derart, daß nur eben dieser kleine Teil des ausgebrachten Kraftstoffes oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches in die Nähe der Elektroden 14 und 15 der Zündkerze gelangen, um dort gezündet zu werden. Damit wird erreicht, daß gerade der Kraftstoffanteil, der zur Zündung notwendig ist, in den Bereich der Zündkerze ge­ langt, ohne daß der übrige eingebrachte Kraftstoff in nach­ teiliger Weise in Bereiche gelangt, die für die Aufbereitung und für die Weiterverbrennung des Kraftstoffs von Nachteil wären. Insbesondere wird dabei vermieden, daß große Teile des eingebrachten Kraftstoffes oder Kraftstoff-Luft-Gemi­ sches zu nah oder direkt auf die Wand des Brennraumes auf­ treffen mit den eingangs geschilderten Nachteilen.

Die Form der Ausnehmung ist dabei maßgeblich für die Ausge­ staltung dieses Zündstrahles 31, wobei der Querschnitt der Ausnehmung entsprechend den Anforderungen gestaltet werden kann. Es kann sich dabei um eine Nut mit in Umfangsrichtung der Achse 28 gesehen zueinander parallelen Seitenbegrenzun­ gen handeln, oder aber es kann eine Formnut sein, die mit einem entsprechenden Formfräser hergestellt wird. Der Ver­ lauf der Mantelfläche 29 ist an die erforderliche Auslenkung dieses Teils des schirmartigen Einspritzstrahles 12 anzupas­ sen. Die Größe der Ausnehmung bestimmt weiterhin die Menge des in die Nähe der Zündkerze gebrachten Kraftstoffs.

In Fig. 3 ist eine Variante des Ventils 6 gezeigt mit zylindrischem Abschnitt 25 am Ventilkopf und einer Leitfläche 124, die kegelförmig sich zum Brennraum hin erweiternd aus­ gebildet ist.

In Fig. 4 ist nochmals eine andere Weiterbildung des Ven­ tils gezeigt mit einer Ausnehmung 126, die nun als Nut aus­ gebildet ist, mit einer in der Radialebene zur Achse 28 des Ventils liegender Bodenfläche 32, die mit dem Ende des Ven­ tilsitzes 20 eine Kante bildet und mit einer Mantelfläche 129, die nun etwas steiler ausgebildet ist als der Kegelwin­ kel des Ventilsitzes 20. In der Draufsicht in Fig. 5 ist erkennbar, daß es sich dabei um eine Nut handelt, deren seitliche Begrenzungswände 34 nicht zueinander parallel lie­ gen, sondern zueinander einen radial auswärts öffnenden Win­ kel bilden. Damit wird einer Strahlausbreitung Rechnung ge­ tragen derart, daß der Dünnstrahl sich außenliegend auffä­ chern kann, um eine bessere Durchmischung von Kraftstoff mit Luft im Bereich der Elektroden der Zündkerze zu erzielen.

Claims (8)

1. Ventil zur Einbringung von Kraftstoff oder Kraftstoff- Luft-Gemisch in einen Brennraum (2) einer Brennkraftmaschi­ ne, bei der der Kraftstoff oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch das Ventil (6) direkt in den Brennraum (2) der Brenn­ kraftmaschine eingespritzt wird und dort durch eine Zündke­ rze (7) gezündet wird, um die Verbrennung einzuleiten und das Ventil (6) eine sich nach außen öffnende Ventilnadel (9) aufweist, zwischen deren Ventilkopf (10) und einem kegelför­ migen Ventilsitz (20) ein schirmartiger Einspritzstrahl (12) aus Kraftstoff oder Kraftstoff-Luft-Germisch gebildet wird, dessen Mantelfläche zur Zündkerze (7) hinweist und die ein­ gebrachte Kraftstoffmenge derart dosiert wird, daß die Brennkraftmaschine mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, deren Luftzahl λ durchschnittlich <1 ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Austrittsrichtung des Ein­ spritzstrahles anschließend an den Ventilsitz (20) eine ringförmige Leitfläche (24, 124) vorgesehen ist, die in ei­ nem sich zur Zündkerze (7) hin orientierenden Bereich eine von der Ringform abweichende Ausnehmung (26) aufweist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilkopf (10) in Austrittrichtung des Einspritzstrahles (12) anschließend an dessen mit dem Ventilsitz (20) zusam­ menwirkenden Dichtbereich (19) eine durchgehend ringförmige Leitfläche (25) vorgesehen ist.

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche (24, 124) des Ventilsitzes (20) und des Ventil­ kopfes (10) zylindrisch ausgebildet sind.

4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfläche (24, 124), die sich an den Ventilsitz (20) an­ schließt kegelförmig ausgebildet ist, mit einem Kegelwinkel, der kleiner ist als der Kegelwinkel des Ventilsitzes (20) und die Leitfläche (25) am Ventilkopf (10) zylindrisch aus­ gebildet ist.

5. Ventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (26) eine Mantelfläche (29) auf ihrer dem Ventilkopf (10) abgewandten Seite hat, die in Verlängerung der Mantelfläche des Ventilsitzes (20) verläuft.

6. Ventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung in Form einer Nut (126) ausgebildet ist.

7. Ventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausnehmung in Form einer Nut (126) ausgebildet ist mit einer in einer Radialebene zur Achse des Ventilkopfes liegende ersten radial verlaufenden Begren­ zungsfläche (32) und einer sich an diese anschließende kege­ lig nach außen verlaufende zweiten Begrenzungsfläche (129).

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (126) seitliche Begrenzungswände (34) aufweist, die in einem sich radial auswärts öffnenden Winkel zueinander ste­ hen.