DE19546851A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Bei Kraftstoffeinspritzvorrichtungen hat sich der Einsatz von Kraftstoffverdampfern weitgehend bewährt, um den Schad­ stoffausstoß nach dem Starten während der Warmlaufphase bis zum Einsetzen des wirksamen Katalysatorbetriebs extrem zu senken und um so die in Zukunft immer strenger werdenden Ab­ gasgrenzwerte einhalten zu können.

Da Kraftstoffverdampfer einen relativ hohen Stromverbrauch haben, werden sie beim normalen Betrieb des Verbrennungsmo­ tors abgeschaltet, sobald der wirksame Katalysatorbetrieb einsetzt und eine Vorverdampfung des Kraftstoffs nicht mehr erforderlich ist. Hierdurch läßt sich eine unnötige Belastung der elektrischen Anlage eines Fahrzeugs vermeiden.

Bei einer bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung (DE 28 43 534 A1) ist einem Einspritzventil ein Heizelement zugeordnet, das einen Abspritzbereich vor der Abspritzöffnung des Ein­ spritzventils hülsenförmig umgibt. Das Heizelement weist da­ bei eine kegelstumpfförmige Verdampferfläche auf, die sich in Kraftstoffstrahlrichtung verjüngt. Beim Betrieb wird der Kraftstoff vom Einspritzventil ohne Drall mit einem Strahl­ winkel abgespritzt, der sicherstellt, daß der abgespritzte Kraftstoff auf die Verdampferfläche auftrifft.

Bei einer anderen aus der DE 28 43 534 A1 bekannten Kraft­ stoffeinspritzvorrichtung ist ein Heizelement mit Abstand vor der Abspritzöffnung eines Einspritzventils angeordnet. In den Abspritzbereich des Einspritzventils zwischen Abspritzöffnung und Heizelement mündet dabei eine Luftdüse. Das Heizelement weist hier eine Honigwabenstruktur mit einer Vielzahl von in Längsrichtung parallel zueinander verlaufenden Kanälen oder eine kegelstumpfförmige Struktur auf, die sich in Kraft­ stoffstrahlrichtung verjüngt.

Beim Betrieb dieser Kraftstoffeinspritzvorrichtung wird der Kraftstoff vom Einspritzventil mit Drall in den Abspritzbe­ reich gespritzt und dabei zusätzlich von der durch die Luft­ düse eintretenden Luft zerstäubt. Der zerstäubte Kraftstoff gelangt dann zum Heizelement, wo er erwärmt und verdampft wird.

Ein derartiges honigwabenförmiges oder sich in Abspritzrich­ tung konisch verjüngendes Heizelement im Abspritzbereich des Einspritzventils stellt jedoch ein relativ großes Hindernis für den abgespritzten Kraftstoffstrahl dar, wenn es beim nor­ malen Motorbetrieb nicht beheizt wird, so daß es im unbeheiz­ ten Zustand die Kraftstoffaufbereitung für die Gemischbildung stört.

Aus dem SAE-Artikel 930710, "Cold start performance of an au­ tomotive engine using prevaporized gasoline" ist eine weitere Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt, bei der vor einem Einspritzventil ein elektrisch beheizbarer, rohrförmiger Kraftstoffverdampfer angeordnet ist. Eine erste Luftdüse mün­ det dabei radial in den Abspritzbereich zwischen der Ab­ spritzöffnung und dem Kraftstoffverdampfer, um den austreten­ den Kraftstoffstrahl auszulenken. Zweite Luftdüsen münden tangential in den Abspritzbereich, um den ausgelenkten Kraft­ stoffstrahl in Rotation zu versetzen und so mit der Innenwand des Kraftstoffverdampfers in Kontakt zu bringen.

Wird ein derartiger Kraftstoffverdampfer während des normalen Motorbetriebs abgeschaltet, so tritt der vom Einspritzventil aus tretende Kraftstoffstrahl zwar durch den rohrförmigen Kraftstoffverdampfer hindurch, wenn er schmal genug ist. Eine Kraftstoffaufbereitung zur Verbesserung der Gemischbildung findet dabei aber kaum statt.

Ein bekanntes Einspritzventil (EP 0 057 407) weist stromauf­ wärts vor der Abspritzöffnung, die sich von ihrem zumessenden Querschnitt bis zur abspritzseitigen Stirnfläche des Ein­ spritzventils konisch erweitert, einen Drallkörper auf, der dem abzuspritzenden Kraftstoff eine umfangsmäßige Geschwin­ digkeitskomponente erteilt. Der austretende Kraftstoff wird zerstäubt und bildet einen kegel- oder kegelmantelförmigen Kraftstoffstrahl, der infolge der umfangsmäßigen Geschwindig­ keitskomponente sehr breit ist. Dieser sehr breite Kraft­ stoffstrahl führt allerdings bei kaltem Verbrennungsmotor zu einem die Schadstoffemissionen erhöhenden Wandfilm im Saug­ rohr.

Um bei dieser bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung die Kraftstoffzerstäubung zu verbessern, ist eine ringspaltförmi­ ge Luftdüse vorgesehen, die die Abspritzöffnung umgibt. Aus der Luftdüse tritt dabei ein sich konisch verjüngender, im wesentlichen kegelmantelförmiger Luftstrahl aus, der einen Drall aufweist, der der umfangsmäßigen Geschwindigskeitskom­ ponente des austretenden Kraftstoffstrahls entgegengesetzt ist.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der von dem Einspritzventil zugemessene Kraftstoff teilweise oder vollständig verdampft und so eine Wandbenetzung im Saugrohr während der Start- und Warmlaufpha­ se eines Verbrennungsmotors verhindert oder zumindest so weit verringert wird, ohne daß der als Verdampfervorsatz ausgebil­ dete Kraftstoffverdampfer, wenn er abgeschaltet ist, die Kraftstoffaufbereitung beim Normalbetrieb behindert. Der Schadstoffausstoß läßt auf diese Weise so verringern, daß auch immer strenger werdende Abgasgrenzwerte eingehalten wer­ den können.

Insbesondere stellt sich in Abspritzrichtung gesehen dem Kraftstoffstrahl keine Heizfläche in den Weg. Vielmehr wird zum Ausbilden des Kraftstoffilms auf den Heizflächen haupt­ sächlich die Zentrifugalkraft ausgenutzt. Damit läßt sich auch bei abgeschalteten Verdampfervorsatz der Kraftstoffstrom nahezu ungehindert über die Heizflächen führen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftstoffein­ spritzvorrichtung besteht darin, daß die Kraftstoffzumessung und die Kraftstoffverdampfung bzw. -aufbereitung von einander unabhängig sind. Der Verdampfervorsatz kann somit entspre­ chend dem jeweils verwendeten Einspritzventil für die ge­ wünschte Kraftstoffverdampfung bzw. -aufbereitung optimiert werden, ohne daß es dadurch die Zumeßfunktion des Einspritz­ ventils beeinträchtigt wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der im An­ spruch 1 angegebenen Kraftstoffeinspritzvorrichtung möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Abspritzkante am Ver­ dampfervorsatz durch eine zylindrische Innenfläche gebildet wird, da hierdurch das Abspritzen eines unverdampften Kraft­ stoffilms so verbessert wird, daß eine gute Kraftstoffaufbe­ reitung für die Gemischbildung erreicht wird. Kegelstumpf- oder trompetenförmige Heizflächen bieten eine sich Abspritz­ richtung des Kraftstoffs stetig vergrößernde Heizfläche, die eine gute Wärmeübertragung auf den mit zunehmender Entfernung vom Einspritzventil immer dünner werdenden Kraftstoffilm ge­ währleistet und somit eine gewünschte Kraftstoffverdampfung sicherstellt.

Die Verwendung von PTC-Widerstandsheizelementen ermöglicht es, die Temperatur der Heizflächen auf eine einfache Weise ohne eine eigene Temperaturregelung auf einem für eine effek­ tive Kraftstoffverdampfung geeigneten Wert zu halten.

ZEICHNUNG

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung ver­ einfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene schematische Dar­ stellung einer erfindungsgemäßen Kraftstoff­ einspritzvorrichtung,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch einen ande­ ren Verdampfervorsatz für die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung und

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch einen weite­ ren Verdampfervorsatz für die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander ent­ sprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wie Fig. 1 zeigt, weist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor ein Einspritzventil 10 auf, das in üblicher Weise in seiner auslaßseitigen Stirnfläche 11 ei­ ne Austrittsöffnung 12 für Kraftstoff aufweist, der ein mit einer Ventilnadel 13 zusammenwirkender Ventilsitz 14 zugeord­ net ist. Um dem durch die Austrittsöffnung 12 austretenden Kraftstoff einen Drall zu geben, um also den Kraftstoffteil­ chen des Kraftstoffstroms eine umfangsmäßige Geschwindig­ keitskomponente zu erteilen, ist im die Ventilnadel 13 auf­ nehmenden und führenden Aufnahmeraum 15, durch den der Kraft­ stoff strömt, vor dem Ventilsitz 14, also stromaufwärts da­ von, ein Drallelement 16 angeordnet, in das schraubenlinien­ förmige Nuten eingearbeitet sind.

Als Drallelement 15 kann auch ein Einsatz mit schrägen Boh­ rungen in den Aufnahmeraum 15 eingesteckt werden. Weiter ist es möglich, das Drallelement 15 unmittelbar an der Ventilna­ del 13 oder in der die Ventilnadel 13 im Bereich des Ventil­ sitzes 14 führenden Wand in Form von Nuten oder Stegen auszu­ bilden.

An der Stirnfläche 11 des Einspritzventils 10 ist vor der Austrittsöffnung 12 als Kraftstoffverdampfer ein elektrisch beheizbarer Verdampfervorsatz 20 angeordnet, der einen strom­ abwärts vor der Austrittsöffnung 12 liegenden Abspritzbereich für Kraftstoff umfangsmäßig umgibt und somit einen Abspritz­ raum 19 radial begrenzt.

Der Verdampfervorsatz 20, dessen elektrische Anschlüsse nicht dargestellt sind, umfaßt ein Heizelement 21, dem innen im Einlaßbereich eine kreiszylindrische Heizfläche 22 zugeordnet ist, an die sich eine kegelstumpfförmige Heizfläche 23 an­ schließt, die sich zum Auslaßbereich hin erweitert und bis zu einer Abspritzkante 24 erstreckt.

Das Einspritzventil 10 und der Verdampfervorsatz 20 sind so auszulegen, daß der aus dem Einspritzventil 10 abgespritzte Kraftstoffstrahl aufgrund seiner umfangsmäßigen Geschwindig­ keitskomponente einen möglichst dünnen Kraftstoffilm auf der den Abspritzraum 19 radial begrenzenden Heizfläche 22, 23 bildet. Es müssen also der Öffnungswinkel des abgespritzten Kraftstoffstrahls und der vom Einspritzventil 10 erzeugte Drall und die Form der Heizfläche 22, 23, also der Öffnungs­ winkel des von ihr begrenzten Abspritzraums 19 aneinander an­ gepaßt werden. Ferner muß der Verdampfervorsatz 20 so ausge­ bildet werden, daß sich eine genügend große Heizfläche 22, 23 für die Wärmeübertragung auf den Kraftstoff ergibt, die je­ doch im ausgeschalteten Zustand den Kraftstoffstrom nicht zu sehr abbremst, sondern nur eine gewünschte Winkelverengung für den Öffnungswinkel des abgespritzten Kraftstoffstrahls ergibt.

Eine möglichst große Heizfläche läßt sich z. B. dadurch rea­ lisieren, daß der Verdampfervorsatz 20 bzw. sein Heizelement 21 als Kegel mit anschließendem Rohr ausgebildet wird.

Fig. 2 zeigt beispielsweise einen anderen Verdampfervorsatz 20′ für die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung, der ein rohrförmiges Heizelement 21′ mit einer innen liegen­ den kreiszylindrischen Heizfläche 22 aufweist, die sich von der Stirnfläche 11 bis zur Abspritzkante 24 erstreckt.

Nach Fig. 3 ist bei einem weiteren Verdampfervorsatz 20′′ ein sich trompetenförmig erweiterndes Heizelement 21′′ vorgesehen, dessen sich erweiternde, innen liegende Heizfläche 25 sich bis in den Auslaßbereich erstreckt und dort in eine kreiszy­ linderförmige Innenfläche 26 übergeht. Die kreiszylinderför­ mige Innenfläche 26 weist nur eine kurze axiale Länge auf und endet in der Abspritzkante 24.

Der Verdampfervorsatz 20, 20′, 20′′ kann integral mit dem Ein­ spritzventil 10 ausgebildet sein. In vorteilhafter Weise wird der Verdampfervorsatz 20, 20′, 20′′ jedoch als eine eigene Baugruppe aufgebaut, die am Einspritzventil 10 gehalten ist. Hierbei ist es insbesondere möglich den Verdampfervorsatz 20, 20′, 20′′ thermisch vom Einspritzventil 10 zu isolieren, wo­ durch bei eingeschaltetem Verdampfervorsatz 20, 20′, 20′′ der Betrieb des Einspritzventils 10 nicht beeinträchtigt wird.

Anstelle der dargestellten einteiligen Heizelemente 21, 21′, 21′′ können auch zwei- oder mehrfachunterteilte Heizelemente verwendet werden. Dabei ist es möglich die Heizelemente axial oder umfangsmäßig zu unterteilen. Um auch bei unterteilten Heizelementen eine nicht unterteilte Heizfläche 22, 23; 22 bzw. 25 für auftreffenden Kraftstoff zu schaffen, ist hierbei eine Beschichtung, z. B. eine entsprechend geformte Kontakt­ hülse mit guter. Wärmeleitfähigkeit vorzusehen.

Das Heizelement 21 besteht vorzugsweise aus einem PTC-Widerstandsmaterial, also aus einem Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten. Es ist aber auch möglich, ein NTC-Widerstandsmaterial, also ein Widerstandsmaterial mit negativen Temperaturkoeffizienten zu verwenden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, eine externe Temperaturregelung vor­ zusehen. Die Verwendung eines Heizelements 21 aus einem NTC-Widerstandsmaterial ist insbesondere dann von Vorteil, wenn aufgrund unterschiedlicher Kraftstoffdurchsätze eine Tempera­ turregelung für das Heizelement 21 ohnehin erforderlich ist.

Beim Betrieb des Verbrennungsmotors wird vom Einspritzventil 10 die erforderliche Menge Kraftstoff in einen im wesentli­ chen kegelmantelförmigen Bereich abgespritzt, wobei sich der Öffnungswinkels dieses Bereiches mit zunehmenden Abstand von der Austrittsöffnung 12 infolge der umfangsmäßigen Geschwin­ digkeitskomponente des abgespritzten Kraftstoffs vergrößert, wenn der Abspritzraum nicht radial begrenzt ist. Der Ab­ spritzbereich für Kraftstoff wird jedoch durch den Verdamp­ fervorsatz 20, 20′ bzw. 20′′ radial auf den Abspritzraum 19 begrenzt, so daß die einzelnen Kraftstoffteilchen auf die Heizfläche 22, 23; 22 bzw. 25 auftreffen und dort ein dünnen Kraftstoffilm bilden, dessen einzelne Teilchen sich schrau­ benlinienförmig auf der Heizfläche 22, 23; 22 bzw. 25 zur Ab­ spritzkante 24 bewegen.

Bei eingeschalteter Heizung während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors werden die Kraftstoffteilchen des dünnen Kraftstoffilms, die sich über die Heizfläche 22, 23; 22 bzw. 25 des Verdampfervorsatzes 20, 20′ bzw. 20′′ bewegen, aufge­ heizt und verdampfen. Da die unmittelbar an der Heizfläche 22, 23; 22 bzw. 25 anliegenden Kraftstoffteilchen infolge des Dralls, also wegen der auf sie wirkenden Zentrifugalkraft ge­ gen die Heizfläche 22, 23; 22 bzw. 25 gepreßt werden und ei­ nem größeren Druck ausgesetzt sind als die Kraftstoffteilchen weiter innen im Kraftstoffilm, sind sie in gutem Wärmekontakt mit dem Heizelement 21, 21′, 21′′ und sorgen für eine gute Wärmeübertragung auf den Kraftstoffilm, der nach und nach zur Mitte des Verdampfervorsatzes 20, 20′, 20′′ hin abdampft.

Da sich die einzelnen Kraftstoffteilchen schraubenlinienför­ mig über die Heizfläche 22, 23; 22 bzw. 25 bewegen, steht ein relativ langer Weg auf der Heizfläche 22, 23; 22 bzw. 25 zur Aufheizung des Kraftstoffs zur Verfügung. Die Anteile des Kraftstoffilms, die unverdampft bis zur Abspritzkante 24 des Verdampfervorsatzes 20 gelangen, werden beim Abspritzen von der Zentrifugalkraft in viele kleine Tröpfchen zerrissen und auf diese Weise gut für die Gemischbildung aufbereitet.

Während des normalen Dauerbetriebs des Verbrennungsmotors wird das Heizelement 21, 21′ bzw. 21′′ abgeschaltet und der Kraftstoffilm, der sich auf der Heizfläche 22, 23; 22 bzw. 25 bildet, wird praktisch nicht mehr geheizt. Der Kraftstoffilm bewegt sich somit bis zur Abspritzkante 24, von der er abge­ spritzt wird. Dabei wird der Kraftstoffilm, ebenso wie der unverdampfte Restkraftstoff bei eingeschaltetem Verdampfer­ vorsatz 20, 20′ bzw. 20′′, infolge der Zentrifugalkraft in vielen kleine Tröpfchen zerrissen, so daß eine gut Aufberei­ tung zur Gemischbildung sichergestellt ist.

Bei der Bewegung des Kraftstoffilms über die nicht beheizte Heizfläche 22, 23; 22 bzw. 25 geht zwar infolge der Reibung ein Teil seiner umfangsmäßigen Geschwindigkeitskomponente verloren, so daß ein Öffnungswinkel für den kegelmantelförmi­ gen Abspritzbereich erhalten wird, der verglichen mit einem einen Drall erzeugenden Einspritzventil 10 ohne Verdampfer­ vorsatz verringert ist. Der verbleibende Drall reicht jedoch für eine gute Kraftstoffaufbereitung während des normalen Dauerbetriebs aus.

Claims (7)

1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmo­ tor mit einem Einspritzventil, das ein seiner Austritts­ öffnung zugeordnetes Drallelement aufweist, so daß Kraftstoffteilchen eines abgespritzten Kraftstoffstrahls mit einer Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung aus der Austrittsöffnung austreten, und mit einem der Austrittsöffnung des Einspritzventils zugeordneten Kraftstoffverdampfer, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffverdampfer als Verdampfervorsatz (20, 20′, 20′′) ausgebildet ist, dessen Heizfläche (22, 23, 25) einen Abspritzraum (19) vor der Austrittsöffnung (12) des Einspritzventils (10) umfangsmäßig umgibt und derart radial begrenzt, daß der Abspritzraum (19) in Ab­ spritzrichtung des Kraftstoffstrahls zylindrisch ist und/oder sich erweitert.

2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Ver­ dampfervorsatz (20′) eine kreiszylindrische Heizfläche (22) aufweist, die sich von der Austrittsöffnung (12) des Einspritzventil (10) bis zu einer Abspritzkante (24) erstreckt.

3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfervor­ satz (20) eine zur Austrittsöffnung (12) des Einspritz­ ventils (10) benachbarte zylindrische Heizfläche (22) aufweist, an die sich in Abspritzrichtung des Kraft­ stoffstrahls eine sich kegelstumpfförmig erweiternde Heizfläche (23) anschließt.

4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfervor­ satz (20′′) eine sich in Abspritzrichtung des Kraftstoff­ strahls trompetenförmige Heizfläche (25) aufweist, so daß sich der Abspritzraum (19) in Abspritzrichtung des Kraftstoffstrahls zunehmend erweitert.

5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die kegel­ stumpf- bzw. trompetenförmige Heizfläche (23 bzw. 25) eine zylindrische Innenfläche (26) anschließt, die sich bis zu einer Abspritzkante (24) erstreckt.

6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische In­ nenfläche (26) in Abspritzrichtung des Kraftstoffstrahls schmal ist.

7. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizflächen (22, 23, 25) an einem oder mehreren Heizelementen (21, 21′, 21) aus einem PTC-Widerstandsmaterial, also aus einem Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizien­ ten ausgebildet sind.