DE102004021435A1

DE102004021435A1 - Kraftstoffeinspritzventil und damit ausgerüsteter Direkteinspritzmotor

Info

Publication number: DE102004021435A1
Application number: DE102004021435A
Authority: DE
Inventors: Shuuichi Hitachinaka Shimizu; Takuya Shiraishi; Motoyuki Abe; Masahiko Hayatani; Kouji Shibata
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-05-01
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2004-12-23
Also published as: JP2004353661A; US7082921B2; US20040262431A1

Abstract

Ein Kraftstoffeinspritzventil (10) mit einem hohen Freiheitsgrad zur Optimierung der Richtung des Kraftstoffnebels, der Form des Sprühnebels, der Eindringtiefe, des Vorhandenseins/Fehlens des voreilenden Sprühnebels und dergleichen in Übereinstimmung mit jedem Typ von Brennkraftmaschinen. Von einem Verwirbeler (23) wird auf den von der Einspritzöffnung (17) eingespritzten Kraftstoff eine Verwirbelungskraft um die Mittelachse E der Einspritzöffnung (17) ausgeübt. Die Mittelachse E der Einspritzöffnung ist unter einem vorgegebenen Ablenkwinkel zur Mittelachse C eines Ventilkörpers (11) geneigt. Ferner ist an einer Stirnfläche der Einspritzöffnung (17) ein Stufenabschnitt (25) ausgebildet.

Description

INANSPRUCHNAHME DER PRIORITÄT
Die Erfindung nimmt die Priorität der japanischen Patentanmeldung, lfd. Nr. 2003-126587, eingereicht am 1. Mai 2003, und der japanischen Patentanmeldung, lfd. Nr. 2004-84176, eingereicht am 23. März 2004, deren Inhalte hiermit durch Hinweis in dieser Anmeldung aufgenommen sind, in Anspruch.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftstoffeinspritzventil, das zur Versorgung einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff verwendet wird, und auf einen Direkteinspritzmotor, nämlich eine Brennkraftmaschine mit Zylinder-Einspritzung, die mit dem Kraftstoffeinspritzventil versehen ist, und insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil, das den Kraftstoff unter Verwirbelung in einen Zylinder der Brennkraftmaschine einspritzt, und einen Direkteinspritzmotor, der das Kraftstoffeinspritzventil verwendet.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei einem Direkteinspritzmotor wird der Kraftstoff in jede Verbrennungskammer des Motors direkt eingespritzt. Als Kraftstoffeinspritzventil (im Folgenden auch als "Injektor" bezeichnet), das bei einem Ottomotor mit Direkteinspritzung verwendet wird, ist ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem Verwirbeler bekannt. Dieses Kraftstoffeinspritzventil weist eine Einspritzöffnung zum Einspritzen von Kraft stoff, ein bewegliches Ventilelement zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung durch Verschiebung in Axialrichtung und eine Kraftstoffverwirbelungseinrichtung auf, die auf den durch einen Kraftstoffdurchgang strömenden Kraftstoff stromaufwärts der Einspritzöffnung eine Verwirbelungskraft aufbringt. Die Kraftstoffverwirbelungseinrichtung, die kurz als Verwirbeler bezeichnet wird, bringt auf den Kraftstoff eine Verwirbelungskraft mit der Mittelachse der Einspritzöffnung als Basis auf.

Als Kraftstoffeinspritzventile im Stand der Technik, die eine Düse mit Verwirbeler aufweisen, sind die folgenden Einspritzventile, die einen Kraftstoffnebel in eine vorgegebene Richtung ablenken können oder eine geforderte Sprühnebelform erzielen können, vorgeschlagen worden. Beispielsweise ist bei einem der Kraftstoffeinspritzventile die Einspritzöffnung in einem vorgegebenen Ablenkwinkel in Bezug auf die Mittelachse des Ventilelements (Ventilkörpers) geneigt, wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. H 11(1999)-159421 offenbart ist. Bei einem anderen von diesen Kraftstoffeinspritzventilen ist der Auslass der Einspritzöffnung in Form einer Stufe, also mit einem Höhenunterschied, ausgebildet, wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-329036 offenbart ist. Die Einspritzöffnung mit der Stufe ist in der Richtung, die der Mittelachse des Ventilelements (der Mittelachse des Einspritzventilkörpers und des Düsenkörpers) entspricht, ausgebildet.

Als Verbrennungsformen des Direkteinspritzmotors sind die Schichtladungsverbrennung und die homogene Verbrennung wohl bekannt. Die Schichtladungsverbrennung ist eine Verbrennungsart, bei der eine Schicht von entzündbarem Luft-Kraftstoff-Gemisch, dessen Verhältnis dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis sehr nahe kommt, um eine Zündkerze gebildet ist, um verbrannt zu werden. Da die Schichtladungsverbrennung vor allem bei der mageren Verbrennungsweise, bei der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, und hauptsächlich beim Fahren unter Niedriglast und im Leerlauf angewandt wird, wird ein niedriger Kraftstoffverbrauch des Motors erreicht. Die homogene Verbrennung ist eine Verbrennungsweise, bei der das Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Verbrennungskammer stets so eingestellt ist, dass es mit dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt. Die homogene Verbrennung ist beim Fahren bei mittleren und hohen Lasten geeignet.

Die optimalen Einstellungen der Richtung, der Form, der Eindringlänge und des Vorhandenseins/Fehlens des voreilenden Sprühnebels, etc. des vom Kraftstoffeinspritzventil in einen Zylinder eingesprühten Kraftstoffnebels sind je nach Typ der Brennkraftmaschine, das heißt je nach Verbrennungsweise, Form der Verbrennungskammern, positionellem Bezug zwischen Zündkerze und Kraftstoffeinspritzventil und dergleichen, verschieden. Mit der oben erwähnten Eindringlänge ist die erzielbare Strecke des vom Kraftstoffeinspritzventil eingesprühten Kraftstoffnebels gemeint. Unter voreilendem Sprühnebel wird der Sprühbereich des Kraftstoffnebels mit maximaler Länge verstanden.

Herkömmliche Kraftstoffeinspritzventile weisen lediglich entweder den Ablenkwinkel der Einspritzöffnung oder die Stufe am Auslass der Einspritzöffnung auf. Dementsprechend ist die Optimierung der Kraftstoffsprührichtung, der Sprühnebelform, der Eindringlänge, des Vorhandenseins/Fehlens des voreilenden Sprühnebels in Übereinstimmung mit dem jeweiligen Typ der Brennkraftmaschine begrenzt, wobei eine optimierte Einstellung unter den Gesichtspunkten der Verbrennungsleistung, der Kraftstoffersparnis und der Abgasleistung nicht zufrieden stellend ausgeführt werden kann.

Unter den jeweiligen Gesichtspunkten der Verbrennungsleistung, Kraftstoffersparnis und Abgasleistung schafft die vorliegende Erfindung ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer ausgezeichneten Einspritzleistung und einen Direkteinspritzmotor mit dem Kraftstoffeinspritzventil. Das heißt, dass die vorliegende Erfindung darin besteht, einen hohen Freiheitsgrad bei der Einstellung der Kraftstoffsprührichtung, der Sprühnebelform, der Eindringlänge, des voreilenden Sprühnebels usw. des Kraftstoffnebels zu verwirklichen und den optimalen Kraftstoffnebel in Übereinstimmung mit dem jeweiligen Typ von Brennkraftmaschinen zu erlangen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

(1) Das Kraftstoffeinspritzventil gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Einspritzöffnung (Einspritzschlitz) zum Einspritzen von Kraftstoff, ein bewegliches Ventilelement (Ventilkörper) zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung durch Verschiebung in Axialrichtung und eine Kraftstoffverwirbelungseinrichtung auf, die auf den durch den Umfang des Ventilelements strömenden Kraftstoff an der Einströmseite der Einspritzöffnung eine Verwirbelungskraft aufbringt. Wobei die Einspritzöffnung in einem vorgegebenen Ablenkwinkel in Bezug auf die Mittelachse des Ventilelements geneigt ist und der Auslass der Einspritzöffnung in Form einer Stufe ausgebildet ist.

Da die Einspritzöffnung erfindungsgemäß in einem vorgegebenen Ablenkwinkel in Bezug auf die Mittelachse des Ventilelements bzw. des Ventilkörpers geneigt ist, wird der von der Einspritzöffnung eingesprühte Kraftstoffnebel unter diesem Ablenkwinkel abgelenkt. Weiterhin kann durch Abgleichen der axialen Länge der Einspritzöffnung zusätzlich zu der durch den Verwirbeler hervorgerufenen verwirbelten Einspritzung der lokale Kraftstoffkonzentrationsbereich des Kraftstoffs (der am stärksten durchdrungene Bereich) am Auslass der Einspritzöffnung an eine beliebige Stelle um die Achse der Einspritzöffnung verlagert werden. Die Form und die Verteilung des Kraftstoffnebels können durch Bildung der Stufe (Höhenunterschied) am Auslass der Einspritzöffnung eingestellt werden. Durch Kombination dieser Einstellungen können Betriebsweisen, die in Abhängigkeit von den einzelnen Einstellungen zusammenwirken oder sich gegenseitig ausschließen, und verschiedene Einstellungen der Kraftstoffsprührichtung, der Sprühnebelform, der Eindringlänge und des Vorhandenseins/Fehlens des voreilenden Sprühnebels vorgenommen werden.

Ferner wird in Verbindung mit den oben genannten Merkmalen die folgende Erfindung vorgeschlagen.

Die Einspritzöffnung des Kraftstoffeinspritzventils weist einen Ablenkwinkel (Neigungswinkel) in Bezug auf die Mittelachse des Einspritzventilkörpers auf, wodurch in einer durch sie hindurch verlaufenden Wirbelströmung eine lokal konzentrierte Strömung entsteht und die Wirbelströmung des Kraftstoffs stromaufwärts der Öffnung geführt wird. Der Auslass der Einspritzöffnung ist mit einer Einkerbung versehen (die oben genannte Stufe entspricht dieser Einkerbung). Ferner entspricht die Stelle der Einkerbung der Einspritzstelle der lokal konzentrierten Strömung.

Mit Einkerbung ist hier eine Form gemeint, bei der ein Teil des Auslasses der Einspritzöffnung ausgespart ist. Mittel zum Bilden der Einkerbung sind nicht begrenzt. Die Einkerbung kann beispielsweise durch Schneid- oder Pressarbeit gebildet werden.

(2) Die vorliegende Erfindung ist basierend auf den folgenden Erkenntnissen geschaffen worden.

Die Erfinder haben herausgefunden, dass bei einem Injektor, in dem an der stromaufwärtigen Seite der Kraftstoffeinspritzöffnung ein Kraftstoffverwirbeler vorgesehen ist, dann, wenn die Öffnung in Bezug auf die Achse des Injektors abgelenkt ist, der Kraftstoffkonzentrationsbereich (der Bereich, in dem sich die Kraftstoffdurchflussmenge konzentriert) lokal durch eine Kraftstoffwirbelströmung gebildet ist, die durch die Öffnung führt. Der Kraftstoffkonzentrationsbereich und die Ablenkrichtung der Öffnung korrespondieren nicht zwangsläufig miteinander. Die Richtung (die Stelle) des Konzentrationsbereichs der Kraftstoffströmung am Auslass der Einspritzöffnung wird durch den Verlauf der Wirbelströmung des lokal konzentrierten Kraftstoffs vom Einlass zum Auslass der Öffnung bestimmt. Die Endstelle des Strömungsverlaufs (die Stelle am Auslass der Einspritzöffnung) hängt von der Länge der Öffnung ab. Der Kraftstoffnebel, der von einem Punkt der Kraftstoffeinspritzöffnung aus eingesprüht wird, der dem Weg des Kraftstoffkonzentrationsabschnitts entspricht, weist eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und eine hohe Dichte auf.

Ferner bedeutet die Einkerbung an einem Teil des Auslasses der Kraftstoffeinspritzöffnung durch Ausbildung einer Stufe oder dergleichen, dass sich die Einschränkung des verwirbelten Kraftstoffs (durch eine Wandoberfläche der Öffnung) an der Einkerbung schnell aufhebt. Folglich ist das Eindringen eines Kraftstoffnebels (die vom Sprühnebel erzielbare Strecke), der von der Einkerbung aus eingesprüht wird, deutlich größer.

Dementsprechend ist es anerkannt, dass durch Ausbilden einer Einkerbung an der Einspritzöffnung, die mit dem Kraftstoffkon zentrationsbereich am Auslass der Einspritzöffnung übereinstimmt, das Eindringen (erreichbare Strecke) des von der Einkerbung aus eingesprühten Kraftstoffnebels deutlich zunimmt, und ein großer voreilender Sprühnebel gebildet wird (die Einzelheiten werden in "Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen" beschrieben).

(3) Es kann so angeordnet sein, dass zwei Flächen, aus denen die Stufe gebildet ist, parallel zueinander ausgebildet sind. Jede der beiden Flächen am Auslass der Einspritzöffnung ist nämlich parallel zu einer Referenzebene, die einen frei wählbaren Neigungswinkel zur Mittelachse der Einspritzöffnung aufweist. Die beiden parallelen Flächen der Stufe (Höhenunterschied) können beispielsweise Flächen, die senkrecht zur Mittelachse der Einspritzöffnung sind, umfassen.

Ferner, es kann so angeordnet sein, dass zwei Flächen, aus denen die Stufe gebildet ist, durch Schneiden oder Pressen ausgebildet werden. Die axiale Länge der Einspritzöffnung, die Stufenform des Auslasses der Einspritzöffnung und die Richtung der Stufe können durch Schneid- oder Pressarbeit an der Stirnfläche der Einspritzöffnung beliebig eingestellt werden.

Der Direkteinspritzmotor gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das Kraftstoffeinspritzventil gemäß den oben genannten Erfindungen. Bei dem Direkteinspritzmotor werden die Kraftstoffsprührichtung, die Sprühnebelform, die Eindringlänge, der voreilende Sprühnebel und dergleichen in Übereinstimmung mit dem relativen positionellen Bezug zwischen der Zündkerze und dem Kraftstoffeinspritzventil durch Einstellen der axialen Länge der Einspritzöffnung, der Stufenform des Auslasses der Einspritzöffnung und der Stufenrichtung festgelegt. Infolgedessen können die Verbrennungsleistung, die Kraftstoffersparnis und die Abgasleistung des Motors verbessert werden.

Das Verfahren zur Herstellung des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren mit der im Folgenden beschriebenen Bearbeitung eines Düsenelements in dem Einspritzventil. Die Einspritzöffnung im Primärprodukt des Düsenelements wird mit einem vorgegebenen Neigungswinkel in Bezug auf die Mittelachse des Düsenkörpers und mit einer Länge, die einen Einstellspielraum lässt, ausgebildet. Die Länge der Einspritzöffnung wird durch Schneid- oder Pressarbeit am Auslass der Einspritzöffnung abgestimmt. Die Stufe wird am Auslass der Einspritzöffnung gebildet, nachdem die Richtung der Stufe festgelegt worden war. In dieser Weise wird das Sekundärprodukt (Endprodukt) des Düsenelements des Einspritzventils erhalten. Das Düsenelement ist beispielsweise eine Düsenplatte.

Demgemäß können die Kraftstoffsprührichtung, die Sprühnebelform, die Eindringlänge, das Vorhandensein/Fehlen eines voreilenden Sprühnebels und dergleichen, wie sie in einer Brennkraftmaschine erforderlich sind, im Endstadium der Herstellung des Kraftstoffeinspritzventils optimiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptabschnitts des Kraftstoffeinspritzventils gemäß der Ausführungsform von 1;
3A, 3B sind schematische Darstellungen eines längs der Linie A-A in 2 dargestellten Querschnitts des Kraftstoffnebelbereichs mit hoher Eindringungslänge;
4 ist eine Tabelle, die durch eine unterschiedliche Düsenstruktur bedingte Formen des Kraftstoffnebels bei normaler Temperatur und atmosphärischem Druck und bei hoher Temperatur und hohem Druck zeigt;
5A, 5B sind Querschnittsansichten, die Sprühnebelzustände in einem Direkteinspritzmotor mit dem Kraftstoffeinspritzventil gemäß einer Ausführungsform zeigen;
6A, 6B sind Querschnittsansichten, die Sprühmuster in einer Verbrennungskammer des Direkteinspritzmotors mit dem Kraftstoffeinspritzventil gemäß einer Ausführungsform zeigen;
7 ist ein Diagramm, das Druck- und Temperaturschwankungen in der Verbrennungskammer des Motors zeigt;
8 ist ein Diagramm, das das Versuchsergebnis hinsichtlich des AGR-Anteils und der NOx-Emissionsmenge zeigt;
9 ist ein Diagramm, das das Versuchsergebnis hinsichtlich des Sprühmusters und der HC-Emissionsmenge zeigt;
10 ist ein Diagramm, das das Versuchsergebnis hinsichtlich der Eindringung in Richtung der Verbrennungskammer und die HC-Emissionsdichte zeigt;
11 ist eine longitudinale Querschnittsansicht des Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptabschnitts von 11;
13 ist ein erläuterndes Diagramm, das den Kraftstoffkonzentrationsmechanismus zeigt, der bei einer von der Achse des Einspritzventils abweichenden Kraftstoffeinspritzöffnung zur Geltung kommt;
14 ist ein erläuterndes Diagramm, das das Verhalten der Kraftstoffeinspritzung in einem Fall zeigt, in dem die Achsen des Kraftstoffeinspritzventils und der Kraftstoffeinspritzöffnung parallel zueinander sind;
15(1) und 15(2) sind erläuternde Diagramme, die den durch die Kraftstoffeinspritzöffnung strömenden, verwirbelten Kraftstoff zeigen;
16(1)–16(3) sind erläuternde Diagramme, die ein Modell des Drehwinkels θ' desjenigen Abschnitts konzentrierten Kraftstoffs, der durch die Kraftstoffeinspritzöffnung (schräg verlaufende Öffnung) strömt, pro etwa 0,1 mm Öffnungslänge zeigen;
17(1)–17(3) sind erläuternde Darstellungen, die den Fortgang der Bearbeitung des Auslasses der Einspritzöffnung und die Veränderung der Eindringung des voreilenden Sprühnebels gemäß einer Ausführungsform zeigen;
18 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Öffnungsablenkwinkel und dem Streuungswinkel des Abschnitts konzentrierten Kraftstoffs am Auslass der Öffnung wiedergibt;
19 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Verschiebung (Exzentrizität) der Mitte des Ventilsitzes von der Mitte der Einspritzöffnung und der Weite (Streuungswinkel) des Abschnitts konzentrierten Kraftstoffs wiedergibt;
20(1)–20(3) sind erläuternde Diagramme, die die Kraftstoffverteilungsdichten am Auslass der Öffnung bei einem Ventilsitzwinkel von 60°, 70° bzw. 80° zeigen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun werden in Übereinstimmung mit der Zeichnung bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genau beschrieben.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß der vorliegenden Erfindung.
Ein Kraftstoffeinspritzventil (hier auch als "Injektor" bezeichnet) 10 umfasst ein Hauptkörpergehäuse (einen Ventilkörper) 11, ein (auch als "Mittelkern" bezeichnetes) Kraftstoffdurchgangselement 12, einen Düsenkörper 13, ein Verbindergehäuseelement 14 und dergleichen. Ein Kraftstoffdurchgang umfasst den Mittelkern 12 und den Düsenkörper 13. An einem Ende des Düsenkörpers 13 ist eine Düsenplatte 15 befestigt. In der Düsenplatte 15 sind ein Ventilsitz 16 und eine Einspritzöffnung 17 ausgebildet.
Im Düsenkörper 13 ist ein Ventilelement (beispielsweise eine Nadel) 18 vorgesehen, die in Axialrichtung beweglich ist. Das Ende des Ventilelements 18 wird in seiner Bewegung in Axialrichtung auf die Ventilsitzoberfläche 16 aufgesetzt und von dieser gelöst, wodurch die Einspritzöffnung 17 geschlossen und geöffnet wird. Ein Plunger (beweglicher Kern) 19 ist mit dem Ventilelement 18 verbunden. Im Mittelkern 12 ist eine Kompressions-Schraubenfeder 20 vorgesehen. Die Kompressions-Schraubenfeder 20 bringt in Richtung des Ventilsitzes 16 (in der Richtung, in der das Ventil geschlossen wird) über ein bewegliches Rohr- oder Hülsenelement 21 und den Plunger 19 eine Kraft auf das Ventilelement 18 auf.
Im Hauptkörpergehäuse 11 ist eine elektromagnetische Spule 22 vorgesehen. Die elektromagnetische Spule 22 wird durch Energiezufuhr erregt, wodurch sie den Plunger 19 gegen die Federkraft der Kompressions-Schraubenfeder 20 anzieht, um das Ventilelement 19 vom Ventilsitz 16 wegzuziehen.
Im Düsenkörper 13 ist ein Verwirbeler 23 als Kraftstoffverwirbelungseinrichtung vorgesehen. Der Verwirbeler 23 ist in der Düsenplatte 15 auf der Seite des Ventilsitzes 16 angeordnet. Der Verwirbeler 23 bringt auf den Kraftstoff, der durch den Kraftstoffdurchgang strömt, eine Verwirbelungskraft um die Mittelachse der Einspritzöffnung 17 auf, um den Kraftstoff zu zerstäuben.
Ein Kraftstoffversorgungsanschluss 24 des Injektors 10 wird mit von einer (nicht gezeigten) Kraftstoffpumpe mit Druck beaufschlagtem Kraftstoff beschickt. Der Kraftstoff strömt durch einen inneren Durchgang des Kraftstoffdurchgangselements 12, das Hauptkörpergehäuse 11 und den Düsenkörper 13 zum Verwirbeler 23 und wird von der Einspritzöffnung 17 herausgespritzt, wenn das Ventilelement 18 durch die Erregung der elektromagnetischen Spule 22 vom Ventilsitz 16 gelöst ist. Da vom Verwirbeler 23 eine Verwirbelungskraft auf den Kraftstoffnebel ausgeübt wird, besitzt dieser eine konische Form, wie in 1 durch eine unterbrochene Linie F gezeigt ist, wobei eine Wirbelströmung S um die Mittelachse der Einspritzöffnung 17 entsteht. Die Menge an eingespritztem Kraftstoff wird durch die Ventilöffnungszeit des Ventilelements 18, d. h. durch die Zeit der Erregung der elektromagnetischen Spule 22, bestimmt.
2 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptabschnitts des Injektors 10 gemäß der Ausführungsform. Im Injektor 10 ist die Einspritzöffnung 17, nämlich deren Mittelachse E, in einem vorgegebenen Ablenkwinkel β zur Mittelachse C des Ventilelements 18 (gleich der Mittelachse des Injektors 10) geneigt, wobei am Auslass der Einspritzöffnung 17 ein Stufenabschnitt 25 gebildet ist.
Der Stufenabschnitt 25 ist in der Querschnittsform eine L-förmige Stufe und umfasst zwei zueinander parallele Flächen 25A und 25B, die am Umfang des Auslasses der Einspritzöffnung 17 ausgebildet sind. Die Stufe besitzt in der Richtung der Mittelachse E der Einspritzöffnung 17 einen Höhenunterschied.
Die Mittelachse E der Einspritzöffnung 17 ist in einem Ablenkwinkel β in Bezug auf die Mittelachse C des Ventilelements 18 geneigt; mit anderen Worten, die Einspritzöffnung 17 ist nicht parallel zur Achse des Injektors 10. Außerdem liegt die Auslassfläche der Einspritzöffnung 17 in einer Ebene, die nahezu senkrecht zur Mittelachse E der Einspritzöffnung 17 ist. Dadurch wird der Kraftstoffnebel F so gebildet, dass er gegenüber der Achse des Injektors 10 abgelenkt wird, wobei die Eindringlänge des Kraftstoffnebels F ungleichmäßig ist (L1/L2 ≠ 1).
Die Neigung der Einspritzöffnung 17 in Bezug auf die Achse des Injektors 10 trägt dazu bei, dass der Kraftstoff, der von der Seite des Ventilsitzes 16 aus in die Einspritzöffnung 17 eintritt, in die Ablenkrichtung strömt, und verhindert, dass der Kraftstoff zu der zur Ablenkrichtung abgewandten Seite strömt. Entsprechend dieser Struktur wird in der Einspritzöffnung 17 eine Verteilung hervorgerufen, die verschiedene, auf die Axialrichtung bezogene Strömungsgeschwindigkeiten des Kraftstoffs umfasst. Die unterschiedliche Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit in der Einspritzöffnung 17 führt zu einer ungleichmäßigen Eindringlänge des Kraftstoffnebels F.
Da im Injektor 10 der Verwirbeler 23 vorgesehen ist, um eine Verwirbelungskraft auf den Kraftstoff auszuüben, wird der durch die Einspritzöffnung 17 strömende Kraftstoff verwirbelt. Wie in den 3A und 3B (in einer Querschnittsansicht längs der Linie A-A in 2) gezeigt ist, ergibt sich an einer Stelle P, die von der Mittelposition versetzt ist, in dem von der Einspritzöffnung 17 eingesprühten Kraftstoffnebel F ein Bereich maximaler Eindringlänge.
Beim Ottomotor mit Direkteinspritzung für Schichtladungsverbrennung kann bei minimalem Kraftstoff eine optimale Verbrennung erreicht werden, wenn der Bereich P des Kraftstoffnebels F mit der maximalen Eindringlänge in Richtung der Zündkerze gelenkt wird.
Wenn die Stelle des Kraftstoffnebels F mit der maximalen Eindringlänge durch Einstellung der axialen Länge L der Einspritzöffnung 17 frei gewählt werden kann, wird eine optimale Verbrennbarkeit erzielt.
Der Zusammenhang zwischen der axialen Länge L der Einspritzöffnung 17 und der Stelle des Kraftstoffnebels F mit der maximalen Eindringlänge kann wie folgt beschreiben werden. Der Kraftstoff wird vom Verwirbeler 23 nach rechts gewirbelt, durch den Ventilsitz 16 geleitet und in die Einspritzöffnung 17 getrieben. Da die Einspritzöffnung 17 nicht parallel (schräg) zur Achse C des Injektors 10 angeordnet ist, wird der Kraftstoff, der in die Einspritzöffnung 17 eintritt, dazu gebracht, in die Ablenkrichtung, jedoch nicht zu der zur Ablenkrichtung abgewandten Seite zu strömen.
Da die Strömungsgeschwindigkeit des durch die Einspritzöffnung 17 strömenden Kraftstoffs eine große Komponente und eine kleine Komponente in Axialrichtung besitzt, wird in der Öffnung 17 eine ungleichmäßige Strömungsgeschwindigkeitsverteilung hervorgerufen. Da der Kraftstoff stets nach rechts gewirbelt wird, bewegen sich der durch die Einspritzöffnung 17 strömende Kraftstoff mit der großen Strömungsgeschwindigkeitskomponente in Axialrichtung und der mit der kleinen Strömungsgeschwindigkeitskomponente in Axialrichtung ebenfalls nach rechts wirbelnd zum Ende der Einspritzöffnung 17.
Dies bedeutet, dass die Stelle des Kraftstoffnebels F mit der großen Eindringlänge demjenigen Kraftstoffnebelabschnitt, mit dem Bereich mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit in Axialrichtung am Auslass der Einspritzöffnung 17 übereinstimmt. Dementsprechend wird die Lage des Kraftstoffnebels F mit der großen Eindringlänge durch Einstellen der Position des Teils des in der Einspritzöffnung 17 stets nach rechts gewirbelten eingespritzten Kraftstoffs mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit in Axialrichtung bestimmt.
Diese Position (die Stelle des Auslasses der Einspritzöffnung 17, an der der Teil des in der Einspritzöffnung 17 stets verwirbelten Kraftstoff mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit in Axialrichtung eingespritzt wird) wird durch Anpassen (Einstellen) der axialen Länge L der Einspritzöffnung 17, nämlich durch Anpassen der Strömungsdurchgangslänge der Einspritzöffnung 17, bestimmt, und auf diese Weise wird der Drehwinkel des vom Einlass zum Auslass der Einspritzöffnung strömenden Kraftstoffs eingestellt. Durch diese Struktur, die in den 3A und 3B gezeigt ist, kann der Bereich P des Kraftstoffnebels F mit großer Eindringlänge an eine vorgegebene Stelle des Auslasses der Öffnung 17 verschoben werden, wobei eine Wirbelströmung um die Mittelachse des Querschnitts längs der Linie A-A in 2 (von der Düsenseite aus betrachtet) entsteht.
Die axiale Länge L der Einspritzöffnung 17 kann über das Maß Tc des Abschneidens während der Schneidarbeit an der Stirnfläche (dem Auslass) der Einspritzöffnung frei gewählt werden. Angenommen, dass das Abschneidmaß Tc 0,1 mm beträgt und infolgedessen der Abschnitt des Kraftstoffnebels F mit der großen Eindringlänge um 8° im Querschnitt längs der Linie A-A in 2 (von der Düsenseite aus betrachtet) gedreht wird, wird die Beziehung zwischen dem Abschneidmaß Tc und dem Drehwinkel Pdeg des Eindringens durch den folgenden Ausdruck (1) wiedergegeben: Pdeg = {Tc·tg(θ/2)}/(π·D) 360 (1)
Im obigen Ausdruck ist θ der Hauptsprühwinkel des Kraftstoffnebels F; π ist das Verhältnis des Kreisumfangs zu seinem Kreisdurchmesser; und D ist der Durchmesser der Einspritzöffnung 17.
Bei der Gestaltung des Kraftstoffnebels F werden zum Bestimmen der erforderlichen Strömungsmenge und des Hauptsprühwinkels θ der Durchmesser D und die axiale Länge L der Einspritzöffnung 17 sowie die technischen Daten des Verwirbelers 23 als Element, das die Verwirbelungskraft auf den Kraftstoff liefert, bestimmt. Gleichzeitig kann die Lage des Kraftstoffnebels F mit der großen Eindringlänge durch Verwendung des Ausdrucks zur Erlangung des Eindringdrehwinkels Pdeg frei gewählt werden.
Dies bedeutet, dass in einem Kraftstoffquerschnitt (A-A-Querschnitt in dieser Ausführungsform) die Lage des Kraftstoffabschnitts mit der großen Eindringlänge (Abschnitt konzentrierter Durchflussmenge) auf einen beliebigen Winkel innerhalb von 360° eingestellt werden kann. Als Ergebnis kann der Kraftstoffnebel F mit der großen Eindringlänge ohne Einschränkung für die Art der Anbringung des Injektors 10 an die wirksamste Stelle für die Verbrennung im Motor verlegt werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Lage des Kraftstoffnebels mit der großen Eindringlänge in einer Sollrichtung frei gewählt werden, indem die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung des Sprühnebels gesteuert wird. Ferner, da die Anzahl von Umdrehungen (Stärke der Verwirbelung), bis der Kraftstoff am Auslass der Einspritzöffnung ankommt, durch Anpassen der axialen Länge L der Einspritzöffnung frei gewählt werden kann, kann der Kraftstoffnebel mit der großen Eindringlänge in eine beliebig vorgegebene Richtung gelenkt werden.
Da am Auslass der Einspritzöffnung 17 der Stufenabschnitt 25 gebildet ist, kann ein Teil des Sprühnebels im Abschnitt mit der großen Eindringlänge (der hier auch als "voreilender Sprühnebel" bezeichnet wird) weiter vergrößert werden.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich durch Setzen der Stufe 25 der voreilende Sprühnebel verstärkt und das Eindringen zunimmt. Jedoch haben sie als weiteres Charakteristikum auch festgestellt, dass der voreilende Sprühnebel bei hoher Temperatur und hohem Druck (z. B. bei einer Umgebungstemperatur von 160 °C und einem atmosphärischen Druck von 0,5 MPa) verschwindet. Der Hochtemperatur-Hochdruck-Zustand wird bei einem Motor-Kompressionshub angenommen.
4 zeigt ein Beispiel für das oben genannte Phänomen. In dieser Figur wird der Kraftstoffnebel vom Injektor 10 mit einer Düsenplatte mit La, bei der die axiale Länge L der Einspritzöffnung 17 größer ist, mit einem Kraftstoffnebel vom Injektor 10 mit einer Düsenplatte mit Lb, bei der die axiale Länge L der Einspritzöffnung 17 kürzer ist, verglichen. Beim Sprühnebel, der bei der axialen Länge La eingespritzt wird, wird bei normaler Temperatur/atmosphärischem Druck eine längere Eindringung beobachtet, wobei der voreilende Sprühnebel bei hoher Temperatur/hohem Druck vorhanden bleibt. Andererseits ist beim Sprühnebel, der bei der axialen Länge Lb eingespritzt wird, bei normaler Temperatur/atmosphärischem Druck kürzer, wobei der voreilende Sprühnebel bei hoher Temperatur/hohem Druck verschwindet.
Der Mechanismus, der dieses Phänomen hervorruft, wird als im Folgenden beschrieben. Der Stufenabschnitt im Auslass der Einspritzöffnung führt zu einer Abweichung in der Durchflussmengenverteilung des am Auslass der Einspritzöffnung eingesprühten Kraftstoffs, wobei infolgedessen das Muster des eingesprühten Kraftstoffnebels eine ungleichmäßige Verteilung mit einem Abschnitt konzentrierten Durchflusses besitzt.
Bei Verwendung eines Injektors 10 ohne Ablenkwinkel, bei dem die Mittelachse der Einspritzöffnung 17 koaxial zu jener des Injektors 10 ist, wird angenommen, dass der vom Auslass aus eingespritzte Kraftstoff, auf den vom Verwirbeler 23 eine Verwirbelungskraft ausgeübt wird, während der Verwirbelung in der Einspritzöffnung 17 eine gleichmäßige Verteilung besitzt. Im Fall der gleichmäßigen Durch flussmengenverteilung können die Lage und der Winkel des Stufenabschnitts 25 sowie die Länge der Einspritzöffnung frei gewählt werden (siehe z. B. japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2000-329036).
Wenn andererseits eine schräg verlaufende Düse verwendet wird, bei der die Mittelachse E der Einspritzöffnung 17 in einem Ablenkwinkel β in Bezug auf die Mittelachse C des Injektors 10 geneigt ist, weist die Durchflussmengenverteilung in der Einspritzöffnung 17, wie oben beschrieben worden ist, eine Abweichung auf. Im Fall, wenn eine hohe Dichte des Durchflussmengenverteilungsabschnitts mit dem Einfluss des Stufenabschnitts überlagert, gerät der Kraftstoff in einen synergistischen (überlagerten) Zustand durch die positiven Überlappungen, die links in 4 gezeigt sind (La: lang). Andererseits gerät der Kraftstoff im Fall, wenn sich ein Durchflussmengenverteilungsabschnitt mit einer niedrigen Dichte mit dem Einfluss des Stufenabschnitts überlagert, durch die negativen Überlappungen, die rechts in 4 gezeigt sind (La: kurz), in einen Zustand des Rückschritts.
Demgemäß kann die Intensität des voreilenden Sprühnebels durch Kombinieren der Schrägdüsentechnik und der Stufendüsentechnik so gesteuert werden, dass der voreilende Sprühnebel bei hoher Temperatur hohem Druck entweder verschwindet oder bleibt. Durch Anwendung dieser Technik kann bei normaler Temperatur/atmosphärischem Druck ein Breitwinkel-Sprühnebel, und bei hoher Temperatur/hohem Druck ein Schmalwinkel-Sprühnebel, wobei der voreilende Sprühnebel verschwindet, verwirklicht werden. In dieser Weise kann ein Injektor 10 mit veränderlichem Sprühwinkel geschaffen sein.
Bei Verwendung des Injektors 10 in einem Motor wird als Primärpro dukt die axiale Länge der Einspritzöffnung 17 auf eine axiale Länge mit einem Einstellspielraum (L + Lc) eingestellt. Beispielsweise entspricht die Form des Endabschnitts der Einspritzöffnung als Primärprodukt einer Halbkugelform mit einem Kugeldurchmesser (L + Lc), wie in 2 durch eine virtuelle Linie gezeigt ist.
Das Sekundärprodukt (Endprodukt) der Düsenplatte, bei dem die axiale Länge der Einspritzöffnung 17, die Form des Stufenabschnitts 25 und die Richtung des Stufenabschnitts 25 in Bezug auf die Ablenkrichtung der Einspritzöffnung 17 eingestellt werden, wird durch Scheidarbeit an der Stirnfläche (an dem halbkugelförmigen Abschnitt) der Einspritzöffnung 17 als Primärprodukt erhalten. Somit kann die Verwendung des Injektors 10 im Motor mit einer Vielseitigkeit und Verschiedenartigkeit erfolgen.
Die 5A und 5B zeigen einen Direkteinspritzmotor (Ottomotor), in dem der Injektor 10 mit der obigen Struktur eingesetzt wird. In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 51 einen Zylinderblock, 52 einen Zylinderkopf, 53 einen Kolben, 54 eine Verbrennungskammer (einen Zylinder), 55 eine Zündkerze, 56 ein Einlassventil und 57 ein Auslassventil.
In dem Direkteinspritzmotor der 5A und 5B ist der Anbringungswinkel α des Injektors 10 (der Winkel zwischen einer horizontalen Linie und der Achse C des Injektors) klein (etwa 20°). Wenn Kraftstoff in die Verbrennungskammer 54 eingespritzt wird, wird dieser in der Richtung eingespritzt, in der die Achse E der Einspritzöffnung um den Winkel β von der Achse C des Injektors 10 abweicht.
Beim Direkteinspritzmotor in 5A weist die Düsenablenkrichtung zur Zündkerze, wohingegen die Düsenablenkrichtung beim Direkteinspritzmotor von 5B zur oberen Kolbenoberfläche weist.
Angenommen, dass der Winkel, der mit einer Linie (die zwischen einem Düsen-Ende und Spalt-Ende der Zündkerze 55) und einer anderen Linie (horizontale Linie) γ ist, wird die Düsenablenkrichtung im Bereich des Winkels γ von der Achse C des Injektors 10 festgelegt. Das heißt, dass der Ablenkwinkel β in einem Bereich festgelegt werden kann, für den gilt: 0 < β < (α + γ).
Im Beispiel in 5A weist die Ablenkrichtung der Einspritzöffnung 17 zur Seite der Zündkerzen 55 auf der Grundlage der Mittelachse C des Injektors 10, wobei die tiefere Fläche 25A des Stufenabschnitts 25 (die Fläche, bei der die Länge der Einspritzöffnung in Axialrichtung kürzer ist) zur Seite des Kolbens 53 gerichtet ist. Andererseits weist die Ablenkrichtung der Einspritzöffnung 17 im Beispiel von 5B zur Seite der oberen Fläche des Kolbens 53, wobei die höhere Fläche 25B des Stufenabschnitts zur Zündkerze 55 gerichtet ist.
Bei der Struktur von 5A wird der Kraftstoffnebel F, wenn er bei atmosphärischem Druck eingespritzt wird, um etwa β zur Zündkerze hin abgelenkt, wobei der voreilende Sprühnebel mit maximaler Eindringung (Sprühnebelstrecke) in Richtung der oberen Fläche des Kolbens 53 vorauseilt.
Andererseits wird der Kraftstoffnebel F in der Struktur von 5B um etwa β zur oberen Fläche des Kolbens 53 hin abgelenkt. Dementsprechend weist der voreilende Teil des Kraftstoffnebels F von der horizontalen Linie E nach unten, wobei er zu einer Stelle, die von der Zündkerze 55 entfernt ist, voreilt. Der gesamte Kraftstoffnebel F besitzt einen Weitwinkel, der den Kolben 53 nahezu vollständig überdeckt.
Mit Bezug auf die 6A und 6B wird das Verhalten des Sprühne bels in der Verbrennungskammer des Motors für jeden Betriebszustand des Direkteinspritzmotors von 5A beschrieben. Wenn während des Ansaughubs Kraftstoff auf der Grundlage eines Steuersignals von einer (nicht gezeigten) Motorsteuereinheit eingespritzt wird, muss ein gleichmäßiges Luft-Kraftstoff-Gemisch, bei dem Kraftstoff ausreichend mit Luft vermischt ist, gebildet werden. Beim Injektor 10 wird in diesem Fall der Kraftstoffnebel F unter einem weiten Sprühwinkel, der den voreilenden Kraftstoffnebel Fa umfasst, in Richtung des Kolbes 53 eingespritzt, wie in 6A gezeigt ist. Dementsprechend wird die Bildung eines gleichmäßigen Luft-Kraftstoff-Gemischs, d. h. eine homogene Verbrennung, erreicht.
Andererseits ist es dann notwendig, wenn bei einem Kompressionshub Kraftstoff eingespritzt wird, ein in Schichten angeordnetes Luft-Kraftstoff-Gemisch gebildet wird, das um die Zündkerze 55 konzentriert ist. Wie in 7 gezeigt ist, nehmen die Temperatur und der Druck in der Verbrennungskammer mit steigendem Druck des Kolbens 53 zu. Beispielsweise beträgt die Temperatur bei 30° vor dem oberen Totpunkt (OT) etwa 300 °C, während der Druck etwa 8 bar beträgt. Folglich, wenn der Kraftstoff unter einer so hohen Temperatur/hohem Druck eingespritzt wird, verschwindet, wie mit Bezug auf 4 beschrieben worden ist, der voreilende Kraftstoffnebel Fa in Richtung des Kolbens 53, wobei die Kraftstoffnebelform so wird, wie in 6B gezeigt ist.
Die Achse E der Einspritzöffnung 17 verläuft nicht parallel zur Mittelachse C des Injektors 10. Wenn Kraftstoff in Richtung der Zündkerze 55 eingespritzt wird, wird der Hauptsprühnebel, der einen Abschnitt der Durchflussmengenverteilung mit einer hohen Dichte umfasst, in Richtung der Zündkerze eingespritzt und schichtenweise um die Zündkerze angeordnet. Gleichzeitig kommt vorzugsweise die Unterstützung durch Luftstrom, etwa als Taumel- oder Wirbelströmung, hinzu.
Herkömmlicherweise gibt die (nicht gezeigte) Motorsteuereinheit, wenn sie bei einem starken Niederdrücken des Fahrpedals feststellt, dass ein hohes Drehmoment erforderlich ist, ein Signal zur Erhöhung der Einspritzmenge aus. Jedoch nimmt die am Kolben haftende Kraftstoffmenge zu, was Rauch verursacht. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird bei einer Zunahme der Einspritzmenge dadurch, dass die Einspritzmenge in Richtung der Achse der Einspritzöffnung 17 zunimmt, die Haftung von Kraftstoff am Kolben und somit der Ausstoß von Rauch geringer.
Als weiteres Leistungsmerkmal kann dadurch, dass die Geschwindigkeit des in Richtung der Kerze eingesprühten Sprühnebels niedriger als jene des voreilenden Sprühnebels ist, die Streuung des Sprühnebel verhindert und die Schichtenbildung (die Konzentration um die Zündkerze) verbessert werden. Infolgedessen kann die AGR erhöht und das Verhältnis zwischen dem Kraftstoffverbrauch und der NOx-Emissionsmenge verringert werden.
8 zeigt das Ergebnis. Da die Verbrennung instabil wird, wenn eine große AGR-Menge eingeführt wird, beträgt die Grenze des AGR-Anteils etwa 20 %. Das AGR-Gas verdünnt das Luft-Kraftstoff-Gemisch, wodurch sich die Schichtenbildung verschlechtert. Es wurde ein Versuchs-Injektor 10 dieser Ausführungsform hergestellt und seine Leistung geprüft. Im Ergebnis wurde ein AGR-Anteil von bis zu 45 % eingeführt und die NOx-Emissionsmenge reduziert.
Wie in 6A gezeigt ist, wurde ferner bei der Einspritzweise dafür gesorgt, dass beim Einsprühen des voreilenden Kraftstoffnebels Fa in Richtung des Kolbens, eine Zunahme der HC-Emissionsmenge erfolgt. Speziell muss unmittelbar nach dem Starten des Motors, wenn die Temperatur des katalytischen Mittels niedrig ist und keine ausreichende Reinigungsleistung erzielt werden kann, die vom Motor ausgestoßene HC-Menge reduziert werden.
Die Erfinder prüften die Leistung nach diesem Gesichtspunkt und erzielten die in den 9A bis 9C gezeigten Ergebnisse. Der Betrieb wurde unter den folgenden Fahrbedingungen ausgeführt: Simulation eines Leerlaufzustands unmittelbar nach dem Starten, wobei die Motordrehzahl 1400 min^–1, das Wellendrehmoment 20 Nm, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis 14,7 und die Wassertemperatur, die gleich der Öltemperatur war, 30 °C betrugen und der Motor ein 1,8-Liter-Vierzylindermotor war.
Die 9A bis 9C zeigen Bilder von Sprühmustern in der Verbrennungskammer. Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass die Größe des Sprühnebels in Richtung des Kolbens mit der HC-Emission nicht zusammenhängt.
10 zeigt das Ergebnis vom Gesichtspunkt des Eindringens in Richtung der Verbrennungskammer. Bei dem Eindringen in Richtung der Verbrennungskammer wurde nach einem Photo des Sprühnebels 1,3 s nach dem Starten der Kraftstoffeinspritzung bei einem Kraftstoffdruck von 7 MPa und einer Einspritzmenge von 12,6 mcc unter atmosphärischem Druck die Länge des Sprühnebels gemessen. Aus dem Ergebnis geht hervor, dass die Hauptursache der HC-Emission die an der der Kraftstoffeinspritzstelle des Injektors gegenüberliegenden Verbrennungskammerwand haftende Kraftstoffkomponente ist. Es ist ersichtlich, dass die Struktur gemäß dieser Ausführungsform (die in 5A gezeigte Struktur) die HC-Emissionsmenge unmittelbar nach dem Anlassen des Motors wirksam reduziert.
Andererseits wird beim Direkteinspritzmotor mit der Struktur nach 5B der Kraftstoffnebel F während des Ansaughubs unter einem weiten Sprühwinkel, der den voreilenden Kraftstoffnebel umfasst, in Richtung des Kolbens 53 eingesprüht. Dementsprechend wird die Bildung eines gleichmäßigen Luft-Kraftstoff-Gemischs, d. h. eine homogene Verbrennung, erreicht.
Ferner wird der voreilende Sprühnebel Fa in dem während eines Kompressionshubs eingesprühten Kraftstoffnebel F durch den Druck des Kolbens zur Zündkerze 55 gelenkt. Die Intensität des voreilenden Sprühnebels kann durch Kombination der Technik der Ablenkung der Einspritzöffnung und der Technik der Bildung des Stufenabschnitts am Ende der Einspritzöffnung gesteuert werden. Der Sprühnebel kann bei hoher Temperatur/hohem Druck in der Verbrennungskammer des Motors zum Verschwinden oder zum Bleiben gebracht werden. Ferner kann durch eine bestimmte Steuerung bewirkt werden, dass der voreilende Sprühnebel in der Umgebung der Zündkerze ankommt. Dementsprechend wird eine ausgezeichnete Schichtladungsverbrennung erreicht.
Wie oben beschrieben, kann durch Anwendung der Technik, wie sie in den 5A und 5B gezeigt ist, bei normaler Temperatur/atmosphärischem Druck ein weiter Kraftstoffsprühwinkel und bei hoher Temperatur/hohem Druck ein schmaler Kraftstoffsprühwinkel verwirklicht werden. In dieser Weise ist ein Injektor mit veränderlichem Sprühwinkel geschaffen.
Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist beispielhaft wie oben beschrieben worden, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsform begrenzt. Es können bei der Gestaltung verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Leitgedanken der vorliegenden Erfindung, wie er im Umfang der Ansprüche beschrieben ist, abzuweichen.
Beispielsweise kann in der oben beschriebenen Ausführungsform die axiale Länge L der Einspritzöffnung 17 des Injektors durch Schneidarbeit an der Stirnfläche der Einspritzöffnung beliebig abgestimmt werden, jedoch ist die Bearbeitung nicht auf Schneidarbeit begrenzt; es kann auch eine andere Bearbeitung wie etwa Pressarbeit ausgeführt werden.
Ferner schließt der technische Leitgedanke der Erfindung mit ein, dass selbst dann, wenn der Stufenabschnitt durch eine teilweise Einkerbung ersetzt ist, eine der obigen Ausführungsform ähnliche Zunahme der Eindringung erzielt werden kann.
Aus der obigen Beschreibung ist deutlich geworden, dass bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil aufgrunddessen, dass die Mittelachse in einem vorgegebenen Ablenkwinkel zur Mittelachse des Ventilkörpers geneigt ist, eine dem Ablenkwinkel entsprechende abgelenkte Einspritzung erfolgt. Der Konzentrationsbereich der Sprühnebeleindringung kann durch Einstellen der axialen Länge der Einspritzöffnung sowie durch Verwirbelungseinspritzung an eine beliebige Stelle um die Mittelachse der Einspritzöffnung verlegt werden. Ferner können die Sprühnebelform und die Sprühnebelverteilung durch den Stufenabschnitt im Auslass der Eindringlänge abgestimmt werden, wobei sich die Kombination dieser Einstellvorgänge je nach den jeweiligen Maßnahmen synergetisch auswirkt oder bewirkt, dass sich diese Maßnahmen gegenseitig aufheben. Außerdem können verschiedene Einstellungen wie etwa die Einstellung der Kraftstoffsprührichtung, der Sprühnebelform, der Eindringlänge, des Vorhandenseins/Fehlens des voreilenden Sprühnebels vorgenommen werden. Das heißt, dass das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil beim Versetzen dieser Elemente in einen optimalen Zustand entsprechend dem Motortyp einen hohen Freiheitsgrad und eine ausgesprochen große Vielseitigkeit aufweist.
Ferner ist, dem Direkteinspritzmotor der vorliegenden Ausführungsform entsprechend, ein Kraftstoffeinspritzventil vorgesehen, bei dem die axiale Länge der Einspritzöffnung, die Form und die Richtung des Stufenabschnitts des Auslasses der Einspritzöffnung dem Motor entsprechend eingestellt werden. Außerdem werden die Richtung des Kraftstoffnebels, die Form des Sprühnebels, die Eindringlänge, das Vorhandensein/Fehlen des voreilenden Sprühnebels und dergleichen in Übereinstimmung mit der Verbrennungsart, der Form der Verbrennungskammer, dem positionellen Bezug zwischen der Zündkerze und dem Kraftstoffeinspritzventil und dergleichen eingestellt. In dieser Weise können die Verbrennungsleistung, die Kraftstoffersparnis und die Abgasleistung verbessert werden.
Ferner werden nach dem Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventils der vorliegenden Ausführungsform, die axiale Länge der Einspritzöffnung, die Form des Stufenabschnitts des Auslasses der Einspritzöffnung und die Richtung des Stufenabschnitts individuell durch Schneid- oder Pressarbeit an der Stirnfläche der Einspritzöffnung als Primärprodukt abgestimmt. Danach können die jeweiligen Elemente, wie etwa die Richtung des Kraftstoffnebels, die Form des Sprühnebels, die Eindringlänge und das Vorhandensein/Fehlen des voreilenden Sprühnebels, bei der Herstellung des Sekundärprodukts entsprechend dem Motortyp individuell optimiert werden.
Als Nächstes wird als Ausführungsform, die in 11 und den nachfolgenden Figuren gezeigt ist, eine weitere besondere Struktur einer Ausführungsform der Erfindung ergänzend beschrieben.
Wie in 11 gezeigt ist, ist die elektromagnetische Spule 22 über einen Spulenträger 22a am unteren Umfang des Mittelkerns 12 vorgesehen und mit einem Joch als Hauptkörpergehäuse 11 abgedeckt. In diesem Beispiel ist das Joch 11 in ein Joch 11a an der Oberseite und ein Joch 11b an der Unterseite unterteilt, wobei diese Joche durch Schweißen zu einem Joch 11 vereint worden sind.
Das Joch 11 und der Düsenkörper 13 sind z. B. durch Metallfluss miteinander verbunden.
Der Düsenkörper 13 enthält ein oberes zylindrisches Element 13a mit einem großen Durchmesser und einen (etwa 3/4 oder größer) übrigen Hauptteil eines zylindrischen Elements 13b mit einem kleinen Durchmesser. Das dünne zylindrische Element 13b steht von einem unteren Ende des Jochs 11b hervor. Der Injektor dieses Typs, ein so genannter Langdüsen-Injektor, besitzt eine für einen Direkteinspritzmotor geeignete Form. Das obere zylindrische Element 13a des Düsenkörpers 13 ist in das Joch 11b eingesetzt und durch Metallfluss oder dergleichen mit diesem verbunden.
Die Düsenplatte 15 ist mit der Einspritzöffnung 17 versehen, wobei der Ventilsitz 16 durch Schweißen an einem inneren Endumfang des Düsenkörpers 13 befestigt ist. Ferner ist der Verwirbeler 23 vorgesehen. 12 ist eine vergrößerte Ansicht, die die Art der Anbringung der Düsenplatte und des Verwirbelers zeigt.
Der Verwirbeler 23 ist mit einem Führungsloch 80 versehen, das die Hin- und Herbewegung des Ventilelements 18 in seiner Mitte führt. Zwischen dem äußeren Umfang des Verwirbelers 23 und dem inneren Umfang des Düsenkörpers 13 ist ein Kraftstoffkanaldurchgang 81 vorgesehen. Ferner sind in der unteren Oberfläche des Verwirbelers 23 mehrere Kraftstoffkanäle 82 vom Kanal 81 am äußeren Umfang des Verwirbelers 23 zum Führungsloch 80 hin vorgesehen. Die Kraftstoffkanäle 82 dienen als stromabwärtige Durchgänge des Kraftstoffkanals 81. Da die Kraftstoffkanäle 82 von der Mitte des Führungslochs 80 exzentrisch versetzt sind, wird dem Kraftstoff, der von den Kraftstoffkanälen 82 zum Führungsloch 80 strömt, eine Verwirbelung verliehen.
Die Düsenplatte 15 und der Verwirbeler 32, die sich einander überlagern, sind in den inneren Endumfang des Düsenkörpers 13 eingesetzt. Die Kante der oberen Oberfläche des Verwirbelers 23 ist mit einem Stufenabschnitt 30 in Kontakt, der im inneren Umfang des Düsenkörpers 13 vorgesehen ist, wodurch der Verwirbeler zwischen dem Stufenabschnitt 30 und der Düsenplatte 15 gehalten und somit befestigt ist.
Der Zwischenraum zwischen einem inneren Umfang 33 des Düsenkörpers 13 auf der Einlassseite des Verwirbelers 23 und dem äußeren Umfang des Ventilelements 18 wird als Kraftstoffkanal 32 verwendet. Der Durchmesser des inneren Umfangs 33 des Düsenkörpers 13 ist kleiner als ein innerer Umfang 34 des Düsenkörpers 13, in den der Verwirbeler 23 und die Düsenplatte 15 eingesetzt sind. Zwischen dem inneren Umfang 33 und dem Stufenabschnitt 30 ist ein Konus 31 ausgebildet. Der Fluss des Kraftstoffs vom Kanal 32 zum Kanal 81 wird durch den Konus 31 gleichmäßig geführt.
Der äußere Umfang des Ventils 18 weist eine bogenförmig gekrümmte Oberfläche 70, die mit dem konisch zulaufenden Ventilsitz 16 in Kontakt ist, und eine spitzzulaufende konische Oberfläche 71 auf. Wenn das Ventilelement 18 vom Ventilsitz 16 weg bewegt worden ist (beim Öffnen des Ventils), führt die konische Oberfläche 71 in Zusammenwirkung mit dem Ventilsitz 16 den verwirbelten Kraftstoff gleichmäßig und ohne Verringerung der Verwirbelungskraft zur Öff nung 17. Das Ventilelement 18 kann anstelle einer Nadel ein Kugelventil an der Spitze eines Stabs sein.
Der Injektor 10 wird von der (nicht gezeigten) Kraftstoffpumpe mit druckbeaufschlagtem Kraftstoff versorgt. Wenn die elektromagnetische Spule 22 erregt wird, entsteht ein magnetischer Fluss, wobei der Mittelkern 12, das Joch 11 und der Plunger 19 einen geschlossenen magnetischen Kreis bilden. Der Plunger 19 wird vom Mittelkern 12 magnetisch angezogen, wobei das Ventilelement 18 vom Ventilsitz 16 abgehoben wird, so dass das Ventil öffnet und der verwirbelte Kraftstoff von der Einspritzöffnung 17 eingespritzt wird. Der eingesprühte Kraftstoffnebel F wird zu einer konischen Form geformt.
Als Nächstes wird die Struktur der Einspritzöffnung 17 ergänzend beschrieben.
Im Fall, wenn die Achse E der Einspritzöffnung 17 von der Mittelachse C des Injektors 10 abweicht, ist in dem verwirbelten und durch die Einspritzöffnung 17 führenden Kraftstoffstrom eine lokal konzentrierte Kraftstoffströmung vorhanden. Der Bereich konzentrierter Strömung wird am Auslass der Einspritzöffnung 17 in eine gewünschte Richtung gebracht, indem die Länge der Einspritzöffnung 17 dem Verlauf des Bereichs konzentrierter Strömung entsprechend festgelegt wird. Ferner ist ein Teil des Randes der Einspritzöffnung 17, der mit dem Bezugszeichen 25A bezeichnet ist, weggeschnitten. Die Stelle des Einschnitts (auch als "Einkerbung" bezeichnet) 25A entspricht dem Bereich konzentrierter Strömung am Auslass der Einspritzöffnung. Der Einschnitt 25A ist eine Fläche der Stufe 25, und zwar die tiefere Fläche der Stufe.
Wie oben beschrieben worden ist, weist der verwirbelte Kraftstoff, wenn er von einer Einspritzöffnung 17 mit einem Ablenkwinkel ein gespritzt wird, eine Neigung auf, wobei in einer Richtung ein lokal konzentrierter Sprühnebel mit langer Eindringung entsteht. Da der Mechanismus der Sprühnebelkonzentration bis zum heutigen Tage nicht ausreichend bekannt war, ist auch nicht bekannt, wie die Richtfähigkeit des Bereichs konzentrierten Sprühnebels beliebig zu steuern ist.
(1) Als Nächstes wird der Mechanismus der Erzeugung des oben beschriebenen Bereichs konzentrierter Strömung in der Kraftstoffeinspritzöffnung beschrieben (der Bereich konzentrierter Strömung wird zum Konzentrationsbereich des eingesprühten Kraftstoffnebels).
13 zeigt den Strömungsmechanismus des durch die schräg verlaufende Einspritzöffnung 17 strömenden verwirbelten Kraftstoffs. 14 zeigt ein Modell des durch eine nicht schräg verlaufende Einspritzöffnung 17' strömenden verwirbelten Kraftstoffs, wobei die Achse E des Injektors 10 und die Mittellinie C der Einspritzöffnung 17' übereinstimmen.
Im Fall der nicht schräg verlaufenden Einspritzöffnung 17' strömt der Kraftstoff, der in das konisch zulaufende Element 16 eindringt, aufgrunddessen, dass das konisch zulaufende Element (der Ventilsitz) 16 der Düsenplatte und die Öffnung 17' symmetrisch zueinander sind, gleichmäßig zur Öffnung 17', weshalb der Sprühnebel gleichförmig wird.
Andererseits sind bei der schräg verlaufenden Einspritzöffnung 17 in 13 das konisch zulaufende Element 16 und die Öffnung 17 beidseitig asymmetrisch zueinander, wie durch die Bezugszeichen B und B' angegeben ist (B bezeichnet die Form auf der nicht schräg verlaufenden Seite, während B' die Form auf der schräg verlaufenden Seite angibt). In diesem Fall enthält der Strom, der in das konisch zulaufende Element eindringt, eine Wirbelströmung an einer Wand B' an der schräg verlaufenden Seite beim Eintritt in die Öffnung 17, wobei an einer Stelle, die der Wand B' entspricht, eine lokal schnelle Strömung entsteht. Ferner entsteht in dem Bereich schneller Strömung ein Strömungsbereich konzentrierten Kraftstoffs. Der Bereich konzentrierten Kraftstoffs verlagert sich mit der lokal schnellen Strömung und der Wirbelströmung zum Auslass der Öffnung. Es ist berücksichtigt, dass das obige Phänomen eine ungleichmäßige Strömungsgeschwindigkeitsverteilung bewirkt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffnebels in Axialrichtung eine Hochgeschwindigkeitskomponente und eine Niedriggeschwindigkeitskomponente, jeweils in Axialrichtung, umfasst. Da der Kraftstoff stets nach rechts gewirbelt wird, bewegen sich ferner der Bereich mit der hohen Geschwindigkeitskomponente in Axialrichtung und der Bereich mit der niedrigen Geschwindigkeitskomponente in Axialrichtung durch die Einspritzöffnung 17 ebenfalls nach rechts wirbelnd zum Ende der Einspritzöffnung 17.
Die 15(1) und 15(2) zeigen den Verlauf des Bereichs konzentrierten Kraftstoffs in der Einspritzöffnung 17. In 15(2) sind (A) bis (B) Querschnitte um den Einlass, die Mitte und den Ausgang (Auslass) der in 15(1) (A)-(C) gezeigten Einspritzöffnung 17 herum. Wie in der Figur gezeigt ist, bewegt sich der Bereich konzentrierten Kraftstoffs in der Einspritzöffnung 17 mit der Wirbelströmung vom Eingang zum Ausgang.
Die Erfinder richteten ihre Aufmerksamkeit auf den Mechanismus, der die Kraftstoffkonzentration hervorruft, und fanden heraus, dass dann, wenn der Strömungsbereich konzentrierten Kraftstoffs am Auslass der Einspritzöffnung und der Stufenabschnitt (die Einkerbung) am Rand des Auslasses in Übereinstimmung gebracht werden, das Eindringen des voreilenden Sprühnebels durch die synergetische Wirkung dieser beiden Vorgänge verstärkt wird.
Es ist bekannt, dass dann, wenn eine Stufe (L-förmige Stufe) 25 in Axialrichtung am Auslass der Einspritzöffnung 17 gebildet ist, der von der tieferen Stufenfläche 25A (Öffnungsaustritt mit kürzerer axialer Länge) eingespritzte Kraftstoff im Vergleich zu dem von einer höheren Stufenfläche 25B (Öffnungsaustritt mit größerer axialer Länge) eingespritzten Kraftstoff einfach konzentriert wird. Wenn die Stufe der Öffnung und die Kraftstoffkonzentration am Auslass der Öffnung nicht miteinander übereinstimmen, sind die Sprühnebelkonzentrationselemente verteilt, weshalb das Eindringen des voreilenden Sprühnebel nicht verstärkt werden kann. Wenn die Stufe der Öffnung und die Kraftstoffkonzentration andererseits miteinander übereinstimmen, kann das Eindringen des voreilenden Sprühnebels in wirksamer Weise stark erhöht werden.
Die 16(1) bis 16(3) zeigen ein Modell des Drehwinkels θ' pro Öffnungslänge von 0,1 mm im Bereich konzentrierten Kraftstoffs, der durch die Einspritzöffnung (schräg verlaufende Öffnung) 17 strömt. Der mit der Mittelachse einer Öffnung 101 gebildete Winkel und die Strömungsrichtung des Bereichs konzentrierten Kraftstoffs entspricht annähernd dem halben Hauptsprühwinkel θ (θ/2). Wenn der Abstand des Öffnungsauslasses in Umfangsrichtung pro 0,1 mm Öffnungslänge angenommen 1 ist und der Öffnungsdurchmesser ϕD ist, ergibt sich eine Näherung für den Drehwinkel θ' wie folgt: θ' = 360 × tg(θ/2)/π/ϕD (2)
Die 17(1) bis 17(3) zeigen den Fortgang der Bearbeitung der Einspritzöffnung und die Veränderung des Eindringens des voreilenden Sprühnebels gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
In 17(1) sind der Ventilsitz 16 und die schräg verlaufende Öffnung 17 in der Düsenplatte 15 durch Pressen bearbeitet worden.
Ferner ist an einer Stirnfläche der Düsenplatte 15 ein Fortsatz 15' ausgebildet. Der Abschnitt konzentrierten Kraftstoffs (Bereich konzentrierten Kraftstoffs) am Auslass der Öffnung (Einspritzöffnung) 17 wird endgültig in einer Gegen-Ablenkrichtung (die zur Ablenkrichtung entgegengesetzten Seite) der Öffnung ausgebildet. In 17(1) wird zuerst die Lage des Bereichs konzentrierten Kraftstoffs geprüft. In dem in 17(1) wiedergegebenen Stadium wird über den oben beschriebenen Formelausdruck die Öffnungslänge Lo berechnet (beispielsweise zu 1,7 mm), jedoch beträgt der Verschiebungswinkel zur Sollposition des Abschnitts konzentrierten Kraftstoffs 25°. In 17(2) wird zur Korrektur des Verschiebungswinkels der Fortsatz 15' ungefähr an seiner Spitze beschnitten, wodurch die Lage des Bereichs konzentrierten Kraftstoffs eingestellt wird. In diesem Fall wird die Öffnungslänge Lo um ein Schneidmaß Tc (Tc = Lo – L') vertikal zur Achse der Öffnung 17 gekürzt, wodurch die Kanallänge der Öffnung eingestellt wird. Durch dieses Einstellen wird die Lage des Bereichs konzentrierten Kraftstoffs auf eine Linie A-A' in der Sollrichtung verschoben. "L" entspricht einem Abstand von der höheren Fläche 25A der Stufe 25 zum Eingang der Einspritzöffnung.
Die Beziehung zwischen dem Schneidmaß tc und dem Drehwinkel Pdeg des Abschnitts konzentrierten Kraftstoffs wird nach dem folgenden Ausdruck (1) erhalten. Pdeg = ((tc × tg(θ/2))/(π × D) × 360) (1)
Im obigen Ausdruck ist "tc" das Maß des Abschneidens der Öffnung 17; θ ist der Hauptsprühwinkel des Sprühnebels F; π ist das Verhältnis von Kreisumfang zu seinem Durchmesser; und D ist der Durchmesser der Öffnung 17.
Das Schneidmaß beträgt beispielsweise 0,2 mm. Die beschnittene Oberfläche ist zur schräg verlaufenden Öffnung senkrecht.
Als Nächstes hat, wie 17(3) zeigt, der Querschnitt des Öffnungsauslasses durch Abnehmen der Hälfte des Öffnungsauslasses an der zur Ablenkrichtung abgewandten Seite (entsprechend einer teilweisen Kürzung des Randes des Einspritzöffnungsauslasses) eine L-förmige Stufe (in diesem Beispiel eine Stufe von 0,19 mm). In dieser Weise werden eine Öffnung, deren endgültige Öffnungslänge 1,5 mm beträgt, und eine Stufe von 0,19 mm gebildet wird. Der Bereich konzentrierten Kraftstoffs und die tiefere Stufenfläche 25A übereinstimmen miteinander.
Das heißt, dass der Umfang (der Fortsatz) 15' des Auslasses der Einspritzöffnung 17 zwei Schrägen 25A und 25B aufweist, die zur Mittelachse C des Einspritzventils geneigt sind, wobei diese Schrägen eine Stufe im Auslass der Einspritzöffnung bilden. Die Einkerbung, die in einem Teil des Umfangs des Auslasses der Einspritzöffnung vorgesehen ist, wird unter Zuhilfenahme des Stufenabschnitts ausgebildet. Die beiden Schrägen werden durch Schneid- oder Pressarbeit gebildet, jedoch können diese auch durch andere Bearbeitungsformen gebildet werden.
(2) Bei dieser Ausführungsform wird als Nächstes der Einfluss des Ablenkwinkels der Einspritzöffnung 17, der Exzentrizität der L-förmigen Stufe, des Winkels des Ventilsitzes und der Höhe der L-förmigen Stufe auf die Breite des Bereichs konzentrierten Kraftstoffs bestimmt.
18 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Ablenkwinkel der Einspritzöffnung und dem Streuungswinkel des Bereichs konzentrierten Kraftstoffs am Auslass der Öffnung. Der Streuungswinkel des Bereichs konzentrierten Kraftstoffs wird mit zunehmendem Ablenkwinkel weiter. Wenn der Ablenkwinkel jedoch gleich oder größer als ein vorbestimmter Winkel wird, ändert sich der Bereich konzentrierten Kraftstoffs nicht mehr so stark. Nach dem Versuchsergebnis darf vermutet werden, dass bei einem Ablenkwinkel von 0° kein Kraftstoffkonzentrationsbereich vorhanden ist. Dann beträgt der Streuungswinkel des Kraftstoffkonzentrationsbereichs bei einem Ablenkwinkel von 12° etwa 100°. Der Streuungswinkel ändert sich kaum, wenn der Ablenkwinkel größer als 12° ist. Dementsprechend wurde festgestellt, dass die Breite (der Streuungswinkel) des Bereichs konzentrierten Kraftstoffs durch Verändern des Ablenkwinkels gesteuert werden kann.
19 zeigt den Zusammenhang zwischen der Breite (dem Streuungswinkel) des Bereichs konzentrierten Kraftstoffs und einer Verschiebung (Exzentrizität) der Mitte des Ventilsitzes zur Mitte der Einspritzöffnung 17. Die Exzentrizität wird im rechten Winkel zur Ablenkrichtung der Öffnung gemessen. In 19 beträgt die Exzentrizität 0 mm, 0,05 mm und 0,1 mm. Es wird deutlich, dass der Streuungswinkel des Kraftstoffkonzentrationsbereichs kleiner wird, wenn die Exzentrizität zunimmt. Dementsprechend kann die Breite des Kraftstoffkonzentrationsbereichs auch über die Exzentrizität gesteuert werden. Ein beliebiger Kraftstoffkonzentrationsbereich kann erhalten werden, indem die Exzentrizität und der Ablenkwinkel der Einspritzöffnung beliebig kombiniert werden.
Die 20(1) bis 20(3) zeigen Kraftstoffverteilungsdichten am Ende der Einspritzöffnung bei einem Ventilsitzwinkel von 60°, 70° bzw. 80°. Der Streuungswinkel des Kraftstoffkonzentrationsbereichs wird mit zunehmendem Ventilsitzwinkel weiter. Jedoch ist die Empfindlichkeit des Streuungswinkels gegenüber dem Ventilsitzwinkel geringer als gegenüber anderen Faktoren (Ablenkwinkel und Exzentrizität der Einspritzöffnung). Der Ventilsitzwinkel wird beispielsweise auf etwa 70° eingestellt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der von der Öffnung eingesprühte Kraftstoffnebel F so ausgebildet, dass er zur Achse des Injektors 10 geneigt ist und die Eindringlänge des Kraftstoffnebels ungleichmäßig ist (L1/L2 ≠ 1). Das Eindringen des voreilenden Sprühnebels und der Streuungswinkel des voreilenden Sprühnebels können im Vergleich zum Fall eines herkömmlichen Injektors mit einem L-förmigen Stufenabschnitt (die Mittellinie der Einspritzöffnung stimmt mit der Mittelachse des Injektors 1 überein) auf etwa das 3fache vergrößert werden.
Um die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zu erfüllen, können die Einzelheiten der Strukturen der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen natürlich in jeder geeigneten Weise kombiniert werden, um die Erfindung, dem Verständnis eines Fachmanns auf dem Gebiet entsprechend, in die Praxis umzusetzen.
Beim erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil kann der Bereich konzentrierten Kraftstoffs (der Bereich mit der stärksten Eindringung; der Bereich mit dem größten voreilenden Sprühnebel) ein Kraftstoffnebel an eine beliebige Stelle um die Mittelachse der Einspritzöffnung verlegt werden. Ferner können die Sprühnebelform und die Sprühnebelverteilung durch eine Stufe am Auslass (Stirnfläche) der Einspritzöffnung abgestimmt werden. Durch Kombination dieser Maßnahmen können verschiedene Einstellungen wie etwa die Einstellung der Kraftstoffsprührichtung, der Sprühnebelform, der Eindringlänge, des Vorhandenseins/Fehlens des voreilenden Sprühnebels, usw. vorgenommen werden.

Claims

Kraftstoffeinspritzventil mit einer Einspritzöffnung (17) zum Einspritzen von Kraftstoff, einem beweglichen Ventilelement (18) zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung (17) durch Verschiebung in Axialrichtung und einer Kraftstoffverwirbelungseinrichtung (23), die stromaufwärts der Einspritzöffnung (17) auf den durch den Bereich entlang des Umfangs des Ventilelements (18) strömenden Kraftstoff eine Verwirbelungskraft aufbringt, wobei die Einspritzöffnung (17) unter einem vorgegebenen Ablenkwinkel in Bezug auf die Mittelachse des Ventilelements (18) geneigt ist und der Auslass der Einspritzöffnung (17) in Form einer Stufe (25) ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Flächen (25A, 25B), aus denen die Stufe (25) zusammengesetzt ist, zueinander parallel sind.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Flächen (25A, 25B), aus denen die Stufe (25) zusammengesetzt ist, durch Schneiden oder Pressen gebildet sind.
Direkteinspritzmotor, bei dem mit Druck beaufschlagter Kraftstoff in jeden Zylinder direkt eingespritzt wird, wobei an jedem seiner Zylinder (54) ein Kraftstoffeinspritzventil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffeinspritzventils (10), das eine Einspritzöffnung (17) zum Einspritzen von Kraftstoff, ein bewegliches Ventilelement (18) zum Öffnen und Schließen der Ein spritzöffnung (17) durch Verschiebung in Axialrichtung und eine Kraftstoffverwirbelungseinrichtung (23), die auf den durch einen Kraftstoffdurchlass sich bewegenden Kraftstoff stromaufwärts der Einspritzöffnung (17) eine Verwirbelungskraft aufbringt, aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte der Bearbeitung eines Düsenelements (15) in dem Kraftstoffeinspritzventil (10) umfasst: Ausbilden der Einspritzöffnung mit einem vorgegebenen Neigungswinkel zur Mittelachse des Düsenkörpers (11) und einer Länge, die einen Einstellspielraum umfasst, als Primärprodukt des Düsenelements (15); Einstellen der Länge der Einspritzöffnung (17) durch Schneid- oder Pressarbeit am Auslass der Einspritzöffnung (17); Bilden einer Stufe (25) am Auslass der Einspritzöffnung (17) nach dem Festlegen der Richtung der Stufe (25).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden der Stufe (25) durch Schneiden oder Pressen ausgeführt wird.
Kraftstoffeinspritzventil mit einer Einspritzöffnung zum Einspritzen von Kraftstoff, einem stromaufwärts der Einspritzöffnung vorgesehenen Ventilsitz (16), einem Ventilelement (18) zum Öffnen und Schließen der Einspritzöffnung (17) und einem Kraftstoffverwirbelungselement (23), das auf den durch den Bereich des Umfangs des Ventilelements (18) strömenden Kraftstoff stromaufwärts des Ventilsitzes eine Verwirbelungskraft aufbringt, wobei die Einspritzöffnung (17) an einem Düsenelement (15) unter einem vorgegebenen Ablenkwinkel in Bezug auf die Mittelachse eines Einspritzventilkörpers (11) gebildet ist, so dass in der durch seine Einspritzöffnung (17) gehenden Wirbelströmung eine lokal konzentrierte Strömung entsteht; und der Auslass der Einspritzöffnung (17) mit einer Einkerbung versehen ist, derart, dass die Stelle der Einkerbung mit der Einspritzstelle der lokal konzentrierten Strömung übereinstimmt.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkerbung des Auslasses der Einspritzöffnung (17) durch Schneiden oder Pressen ausgeführt worden ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkerbung des Auslasses der Einspritzöffnung in Form einer Stufe (25) in der Axialrichtung der Einspritzöffnung (17) mit einem Höhenunterschied gestaltet ist.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Umfang des Auslasses der Einspritzöffnung (17) über deren Endfläche hinaus fortsetzt; wobei der vorstehende Umfang zwei Schrägen aufweist, die gegenüber einer zur Achse des Kraftstoffeinspritzventils senkrechten Ebene geneigt sind; wobei die Schrägen einen Höhenunterschied am Auslass der Einspritzöffnung (17) bilden; und wobei die tiefere der Schrägen die Einkerbung des Auslasses der Einspritzöffnung (17) bildet.
Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkerbung des Auslasses der Einspritzöffnung (17) auf der zur Ablenkrichtung entgegengesetzten Seite der Einspritzöffnung (17) gebildet ist.
Kraftstoffeinspritzventil, mit einer Einspritzöffnung (17) zum Einspritzen von Kraftstoff und einem Kraftstoffverwirbelungselement (23), das auf den durch einen Kraftstoffdurchlass stromaufwärts der Einspritzöffnung strömenden Kraftstoff eine Verwirbelungskraft aufbringt, wobei die Ausrichtung des von der Einspritzöffnung (17) einge sprühten Kraftstoffnebels in eine festgelegte Richtung zur Mittelachse eines Einspritzventilkörpers (11) umgelenkt wird; und die erreichbare Entfernung von einem Kraftstoffnebelbereich auf der der Ablenkseite gegenüberliegenden Seite auf eine maximale Länge in dem Kraftstoffnebel eingestellt wird, wobei diese bei atmosphärischem Druck gemessen wird.
Direkteinspritzmotor mit einer Zündkerze und einem Kraftstoffeinspritzventil (10) zum Einspritzen von mit Druck beaufschlagtem Kraftstoff direkt in eine Verbrennungskammer (54) des Motors, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzventil (10) ein Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 7 bis 12 ist und so vorgesehen ist, dass es im oberen Teil jedes Zylinders (54) des Motors schräg nach unten verläuft; wobei die Ablenkrichtung des Kraftstoffeinspritzventils (10) ausgehend von der Mittelachse des Einspritzventilkörpers (11) zur Zündkerze des Motors gerichtet ist, während die am Auslass der Einspritzöffnung (17) gebildete Einkerbung zum Kolben gerichtet ist.
Direkteinspritzmotor mit einer Zündkerze und einem Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von mit Druck beaufschlagtem Kraftstoff direkt in eine Verbrennungskammer des Motors, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffeinspritzventil (10) ein Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 7 bis 12 ist und so vorgesehen ist, dass es im oberen Teil jedes Zylinders (54) des Motors schräg nach unten verläuft; wobei die Ablenkrichtung des Kraftstoffeinspritzventils (10) ausgehend von der Mittelachse des Einspritzventilkörpers (11) zum Kolben des Motors gerichtet ist, während die am Auslass der Einspritzöffnung (17) gebildete Einkerbung zur Zündkerze gerichtet ist.