DE2517682C3 - Einspritzventil für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, insbesondere Niederdruck-Einspritzventil für gemischansaugende Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der FR-OS 20 23 987 als bekannt hervorgeht.

Diese Ventilart ist vom Prinzip her meist als Gleichstromventil oder auch als Tellerventil bezeichnet, weil die Abheberichtung des Ventilgliedes der Durchströmrichtung gleichgerichtet ist bzw. weil der Ventilsitz mit einem von der Zulaufseite her gehaltenen Ventilteller abgedichtet wird. Die eingangs genannten Einspritzventile werden meist im Saugrohr der Brennkraftmaschine, d.h. außerhalb des Brennraumes angeordnet, so daß der Einspritzgegendruck relativ niedrig ist Aufgrund der Versprühung des Kraftstoffes in einem Sprühkegel wird der am Venti! austretende Kraftstoff bei höheren Kraftstoffdurchsätzen auf einen großen Raum verteilt und dabei auch in relativ kleine Tröpfchen zerteilt. Bei höheren Kraftstoffdurchsätzen wird also mit den beispielsweise im Saugrohr angeordneten und meist kontinuierlich abspritzenden Einspritzventilen ein brauchbares Luft/Kraftstoffgemisch erzielt Bei kleinen im geringen Teillastgebiet oder im Leerlauf der Brennkraftmaschine auftretenden Durchsätzen läßt die erzielbare Gemischqualität jedoch sehr zu wünschen übrig, da die Kraftstoffflüssigkeit hier nicht in einem geschlossenen sich rasch in viele Einzeltröpfchen auflösenden Sprühkegel, sondern vielmehr in einzelnen aufgrund von Bearbeitungs- oder sonstigen Rauhigkeiten der Ventilverschlußflächen sich ergebenden Strahlen abspritzt, die entlang des gedachten Mantels des Sprühkegels oder zumindest in dessen Nähe verlaufen, im Gegensatz zu einem kegelförmig sich ausbreitenden Flüssigkeitsfilm, der aus Kontinuitätsgründen immer dünner werden und demgemäß in einzelne Tröpfchen zerfallen muß, kann ein einzelner Strahl sich wesentlich länger stabil halten, bevor er in Tröpfchen zerfällt Die Folge ist daß bei kleinen Flüssigkeitsdurchsätzen durch die eingangs genannten Einspritzventil hindurch der Anteil der Wandbenetzung und der Anteil der großen Tropfen viel größer ist als bei großen Durchsätzen. Um also einen ruhigen betriebssicheren Lauf der Brennkraftmaschine zu erzielen, muß also bei Leerlauf und bei niedrigen Teillasten das Gemisch überfettet werden, um sicherzustellen, daß bei jedem Arbeitstakt in jedem Arbeitszylinder die für diesen Betriebszustand erforderliehe Mindestmenge an zündfähigem Lufl/Kraftstoffgemisch zur Verfügung steht Die an der Wand haftenden in den Brennraum mitgerissenen Kraftstoffteile gehen unverbrannt oder unvollkommen verbrannt durch den Auspuff ins Freie und stellen eine Umweltbelästigung dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, das zugrunde gelegte Einspritzventil im Hinblick auf ein besseres Sprühverhalten bei kleinen Durchsätzen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Durch diese exponierte Anordnung der Abspritzstelle des Ventiles innerhalb eines elektrischen Feldes — dabei dient das Distanzrohr selber als die eine Elektrode für das elektrische Feld — kommt es an der Austrittsstelle zu einer Feldlinienverdichtung und zu einer örtlichen Feldüberhöhung. Neben der Anwendung einer grundsätzlich bekannten Versprühung von Kraftstoffflüssigkeit mit Hilfe elektrostatischer Kräfte ist diese Feldüberhöhung das Ziel der erfindungsgemäßen Maßnahmen. Um einen spürbaren elektrostatischen Versprühungseffekt zu erzielen, muß nämlich ein sehr hoher Feldstärkegradient im unmittelbaren Bereich der Austrittsstelle der Flüssigkeit vorhanden sein. Die zwischen Elektrode und Austrittsstelle anlegbare Spannung kann aber wegen der Gefahr von Spannungsüberschlägen nicht beliebig hoch gewählt werden, sondern muß unterhalb der Überschlagsgrenze bleiben. Hierfür sind neben dem gewählten Elektrodenabstand vor allem die elektrische Leitfähigkeit und die elektrische Durchschlagsfestigkeit der jeweiligen Kraftstoffflüssigkeit sowie der Druck im Zerstäubungsraum maßgebend. Dank der erfindungsgemäß exponierten Anordnung der Austrittsstelle des Einspritzventiles im

elektrischen Feld kann aber trotz einer sich unterhalb der Oberschlagsgrenze haltenden Spannungsdifferenz zwischen Elektrode und Austrittsstelle der Feldstärkegradient im Bereich der Austrittsstelle drastisch erhöht werden. Die Austrittsstelle soll demnach auf eine möglichst kleine und möglichst stark exponiert im Feld angeordnete Stelle gelegt werden. Die Gegenelektrode soll hingegen möglichst großflächig, d. h. so ausgebildet und angeordnet sein, daß sie unter einem möglichst großen Raumwinkel — von der AustrittssteJ'e aus gesehet — erscheint Die Austrittsstelle soll eine möglichst große Anzahl der von der Gegenelektrode ausgehenden Feldlinien auf sich ziehen. Es ist auch zu vermeiden, daß die Gegenelektrode zu dicht an das Ventilgehäuse herangerückt wird und etwa zwischen Gegenelektrode und Ventilgehäuse Überschläge auftreten können.

Durch die elektrostatische Versprühung der Kraftstoffflüssigkeit werden die gebildeten Teilchen zu Ladungsträgern und zwar von derjenigen Polarität, die die Austrittsstelle gegenüber der Gegenelektrode hat. Es wird daher von der Gegen- oder Ringelektrode eine Anziehungskraft auf die Tröpfchen ausgeübt. Um einen Wandaufprall an der Elektrode und somit eine zwangsweise Koagulation der Tröpfchen zu vermeiden, ist die Elektrode aus dem Spriihkegel herausgerückt. Der Abstand der Elektrode vom Spriihkegel darf nicht zu gering sein. Die Massenkräfte der mit einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit — der Strahlgeschwindigkeit — zunächst rein hydraulisch abgespritzten Flüssigkeitspartikelchen, die dann durch elektrostatische Kräfte in Tröpfchen zerlegt werden, diese Massenkräfte der mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Richtung fliegenden Tröpfchen also, müssen gegenüber den Anziehungskräften der Elektrode überwiegen, so daß die Tröpfchen allenfalls etwas abgelenkt werden können aber nicht auf die Elektrode aufprallen.

Damit die lokale Feldstärkeüberhöhung am gesamten Umfang der Austrittsöffnung etwa gleich groß ist und der gesamte Umfang des Sprühkegels gleichermaßen von den elektrostatischen Kräften erfaßt wird, ist es zweckmäßig, wenn die Ringelektrode gleichachsig zur Sprühkegelachse angeordnet ist. Der gleichen Zielsetzung dient es auch, die Stirnkanten der Ringelektrode achssenkrecht zur Elektrodenachse und somit auch zur Sprühkegelachse anzuordnen.

Es wurde oben gesagt, die Ringelektrode solle flächig sein; hiermit ist lediglich gemeint, daß die Elektrode im Hinblick auf ihre Bildung von größeren zusammenhängenden Potentialflächen flächig also gewissermaßen elektrostatisch flächig sein soll. Es wäre zulässig, als Elektrode z. B. ein zylindrisches Maschengeflecht oder einen schraubengangförmig gewundenen Draht zu verwenden. Mechanisch ist es aber noch einfacher, wenn die Ringelektrode als Massivelektrode z. B. als kleiner Rohrabschnitt eines Messingrohres ausgebildet ist. Die isolierte Halterung der Elektrode ist dann wegen ihrer Eigensteifigkeit viel einfacher.

Einer noch stärkeren Konzentrierung der Feldlinien auf den unmittelbaren Rand der Austrittsöffnung ist: es förderlich, wenn das Dis!. u.'vh; auf der Außenseite am Ventilsitzende kegelstumpfförmig angeschärft ist. In die gleiche Richtung zielt die Maßnahme, den Rand des Ventilgliedes im Querschnitt scharfkantig auszubilden. b5 Ferner kann auch noch die vom Ventilsitz abgewandte Seite des Ventilgliedes ausgehöhlt werden. Die von der Ringelektrode aus einsehbare Fläche der Freiseite des Ventiltellers wird durch die Aushöhlung verringert Dadurch werden ebenfalls Streufeldlinien von der freien Ventiltellerseite in Richtung auf den Rand des Ventiltellers abgedrängt

Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles im folgenden näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 die Anordnung des erfindungsgemäßen Einspritzventiles am Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine und

Fig.2 einen vergrößerten Längsschnitt durch das Vorderende des erfindungsgemäßen Einspritzventiles.

Die F i g. 1 zeigt in dem Teilausschnitt einer Brennkraftmaschine einen auf einen Motorblock 1 aufgesetzten Zylinderkopf 2 mit einem durch ein Einlaßventil 3 verschließbaren durch Wandingen 5 begrenzten Saugkanal 4. In dem Saugkanal herrscht in Abhängigkeit von dem auf und ab gehenden Kolben 6 eine pulsierende Strömung.

In Strömungsrichtung gesehen vor dem Ventil ist · in den Saugkanal 4 einmündend — ein Einspritzventil 7 angeordnet Es ist mit der Achse 8 des Sprühkegels 9 etwa tangential zu der Kanalströmung angeordnet und auf den Ventilteller des Ventiles 3 gerichtet. Das Einspritzventil ist außen zylindrisch ausgebildet und in eine längsgeschlitzte in der Saugrohrwandung 5 angebrachte Klemmbohrung 10 (Klemmschraube 11) festgeklemmt. Der unmittelbar in der Klemmbohrung festgeklemmte Außenteil 12 des Ventiles 7 ist aus elektrisch isolierendem Stoff (Rohrisolator 12). Der elektrisch leitende Gehäuseteil 13 des Ventiles ist mit dem Kabel 14 und der Schelle 15 elektrisch leitend mit dem Zylinderkopf 2 verbunden und damit — wie dieser auch — elektrisch auf »Masse« oder auf Potential Null gelegt. An dem Rohrisolator 12 ist oben über eine Gummikappe ein Spannungszuführungskabel 16 nach außen über einen Widerstand 30 geführt. An dem eigentlichen Ventilgehäuse 13 ist am oberen Ende die Benzinführungsleitung 17 angeschlossen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem vor dem Einlaßventil 3 angeordneten Einspritzventil steht die Zuführungsleitung 17 ständig unter Druck und demgemäß wird ständig Benzin in den unter geringem Druck stehenden Saugkanal 4 eingespritzt.

Die vergrößerte Darstellung der Fig. 2 zeigt die Spitze des Einspritzventiles im Längsschnitt. Das rohrförmige Ventilgehäuse 13 aus elektrisch leitendem Werkstoff z. B. aus Stahl ist konzentrisch in den ebenfalls rohrförmigen Isolator (Rohrisolator 12) eingeschoben und in definierter Axialposition darin festgehalten. Das Ventil weist eine durch ein Tellerventilglied 18 verschließbare öffnung mit dem Öffnungsrand 19 auf. Der Ventilteller 18 wird durch einen Ventilschaft 20 gehalten und durch die Kraft der Feder 21 in Schließrichtung gedruckt. Der Ventilteller 18 und der Öffnungsrand 19 bilden einen kegelförmig verlaufenden Ventilsitz 18/19, dessen Achse gleichachsig zur Achse des Ventilgehäuses 13 verläuft. Aufgrund dieser Gestaltung bildet sich ein kegelförmiger Sprühstrahl — ein Sprühkegel 9 — mit der Achse 8 aus.

Die Auslaßöffnung des Ventiles ist erfindungsgemäß am Ende eines dünnwandigen vom Ventilgehäuse 13 bzw. der dem Ventilgehäuse noch zuzurechnenden eingebördelten Platte 23 abragenden Distanzrohres 22 angeordnet, welches wesentlich kleiner im Durchmesser ist als eine charakteristische Gehäuseabmessung an der Ansatzstelle 24 z. B. der Gehäuserohr-Durchmesser. Das Distanzierungsrohr ist ebenfalls aus elektrisch

leitendem Werkstoff und leitend mit dem Gehäuse verbunden. Hierdurch ergibt sich eine sowohl elektrisch als auch mechanisch exponierte Lage der Austrittsöffnung des Einspritzventiles.

Auf der Innenseite des Rohrisolators 12 ist an dessen freien Ende - die Austrittsöffnung des Ventiles umgebend — eine Ringelektrode25 angebracht,die mit dem Kabel 16 verbunden ist Zur Erzielung eines rotationssymmetrischen Feldes sind die Elektrode gleichachsig zum Distanzrohr und zur Austrittsöffnung und deren Stirnkanten 26 und 27 achssenkrecht angeordnet Die Ringelektrode ist großflächig gestaltet und so angebracht und ausgebildet, daß sie — vom Öffnungsrand 19 aus gesehen — unter einem möglichst großen Raumwinkel (Winkel α) erscheint Umgekehrt sind Vorkehrungen getroffen, damit die Austrittsöffnung bzw. deren unmittelbare Ränder - von irgendeinem Punkt der Elektrode 25 aus betrachtet - unter einem möglichst kleinen Raumwinkel erscheinen. Die Ringelektrode kann jedoch nicht beliebig groß gestaltet werden; ihre axiale Erstreckung ist begrenzt So ist z. B. die hintere Stirnkante 26 der Ringelektrode so weit in Einspritzrichtung nach vorne gerückt, daß sie von dem Ventilgehäuse bzw. der Platte 23 einen größeren Abstand hat als vom Distanzrohr 22 und die vordere Stirnkante 27 ist in Einspritzrichtung so weit nach hinten gerückt, daß sie noch mit Sicherheit außerhalb des Sprühkegels 9 liegt (Abstand A). Um die Öffnungsränder der Austrittsöffnung des Einspritzventiles von der Ringelektrode aus gesehen unter möglichst kleinem Raumwinkel erscheinen zu lassen, ist das Distanzrohr zum Öffnungsrand hin kegelstumpfförmig angeschärft (Kegelfläche 31) und der Ventilteller auf der vom Ventilsitz abgewandten Seite konkav ausgehöhlt (Höhlung 32). Die Ringelektrode ist als Massivelektrode ausgebildet, was ihre Befestigung am Rohrisolator vereinfacht

Die Ringelektrode ist auf Potential von etwa 2J5 bis 5 kV gelegt (Spannungsquelle 28). Dadurch bildet sich zwischen der Elektrode und dem Distanzrohr 22 ein elektrisches Feld aus (Feldlinie 29). Die Potentialhöhe ist so zu wählen, daß mit Sicherheit Spannungsüberschläge vermieden werden. Die Überschlagsgrenze ist — abgesehen von dem einmal festgelegten Elektrodenabstand — auch noch von der elektrischen Leitfähigkeit und von der Durchschlagsfestigkeit der Kraftstoffflüssigkeit abhängig, die je nach Kraftstoffart und Zusätzen 5 sehr unterschiedlich sein können. Ferner hängt die Überschlagsgrenze vom Druck im Zerstäubungsraum ab. Dank der erfindungsgemäßen beschriebenen exponierten Anordnung der Austrittsöffnung im elektrischen Feld kommt es zu einer Feldlinienverdichtung im ίο Bereich der Austrittsöffnung und zu einer lokalen Feldüberhöhung in diesem Bereich. Aufgrund dieser Maßnahmen wird im Austrittsbereich ein sehr hoher Feldstärkegradient erzielt, so daß trotz ausreichendem Sicherheitsabstand der Gesamtspannung von der Überschlagsgrenze eine elektrostatische Flüssigkeitsversprühung in erheblichem Ausmaß erzielt werden kann. Insbesondere dann, wenn die Durchsätze klein und demgemäß die hydraulischen Versprühkräfte gering und nahezu wirkungslos sind, kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ventilausbildung ein feiner Sprühnebel erzielt werden. Die Nebeltröpfchen erhalten eine elektrische Ladung, die ihrem Vorzeichen nach durch das des Distanzrohres bestimmt ist; auf die Tröpfchen wird demgemäß von der Elektrode eine Anziehungskraft ausgeübt

Durch den Abstand A des Sprühkegels 9 von der Ringelektrode 25 ist gewährleistet, daß die mit einer gewissen Strahlgeschwindigkeit zunächst rein hydraulisch abgespritzten Flüssigkeitspartikelchen, die dann durch elektrostatische Kräfte in einzelne Tröpfchen zerlegt werden, daß diese fliegenden Tröpfchen also nicht auf die Elektrode aufprallen. Die Massenträgheit der Tröpfchen und das Beharrungsvermögen in einer Flugbahn sind aufgrund des Abstandes A größer als die Anziehungskräfte der Elektrode, so daß die Tröpfchen an der Elektrode vorbeifliegen.

Aufgrund der auch mechanischen bzw. aerodynamischen Abschirmwirkung des Rohrisolators ist — im Feinbereich gesehen — die Austrittsstelle des Einspritz -ventiles in einem strömungsmäßigen sogenannten Totwassergebiet angeordnet, so daß sich der Sprühkegel — durch Luftströmungen nicht behindert: oder beeinträchtigt — in Ruhe ausbilden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 Patentansprüche:

1. Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, insbesondere Niederdruck-Einspritzventil für gemischansaugende Brennkraftmaschinen, mit einem durch Federkraft entgegen der Einspritzrichtung auf den Ventilsitz vorgespannten kegelförmigen von einem Ventilschaft gehaltenen Ventilglied, welches durch den hydraulischen Druck der einzuspritzenden Kraftstoffflüssigkeit in Einspritzrichtung vom Ventilsitz abhebbar ist und beim öffnen einen kegelstumpfförmigen Ringspalt bildet, durch den die Kraftstoffflüssigkeit in Form eines Sprühkegels austritt, bei dem der Ventilsitz am Ende eines vom Ventilgehäuse abragenden elektrisch leitenden und elektrisch leitend mit dem ebenfalls elektrisch leitenden Ventilgehäuse verbundenen den Ventilschaft mit einem Zwischenraum umschließenden Distanzrohrs angeordnet ist, welches im Außendurchmesser wesentlich kleiner als die Ventilgehäuseabmessung im Bereich der Verbindungsstelle des Distanzrohres mit dem Ventilgehäuse ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand um die Austrittsstelle des Ventiles herum eine elektrisch gegenüber dem Ventilgehäuse (13) und dem dünnwandig ausgebildeten Distanzrohr (22) isolierte flächige Ringelektrode (25) mit einem elektrisch leitenden Anschluß (16) angeordnet ist, deren dem Ventilgehäuse zugewandte Stirnkante (26) einen größeren Abstand vom Ventilgehäuse (13) aufweist als vom Distanzrohr (22) und deren dem Ventilgehäuse abgewandte Stirnkante (27) außerhalb des Sprühkegels (9) liegt (Abstand A), und daß die Ringelektrode (25) gegenüber dem Ventilgehäuse (13) auf ein elektrisches Potential gelegt ist.

2. Einspritzventil nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnkanten (26 und 27) der Ringelektrode (25) senkrecht zur Elektrodenachse angeordnet sind.

3. Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektrode (25) als Massivelektrode ausgebildet ist.

4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche I bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzrohr (22) auf der Außenseite am Ventilsitzende kegelstumpfförmig angeschärft ist (Fläche 31).

5. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Ventilsitz abgewandte Seite des Ventilgliedes (18) ausgehöhlt ist (Höhlung 32) und einen scharfkantigen Rand aufweist.