DE102008040817A1

DE102008040817A1 - Kraftstoffinjektor mit einem rotierenden Lamellenrad

Info

Publication number: DE102008040817A1
Application number: DE102008040817A
Authority: DE
Inventors: Helmut Reinauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-02-04

Abstract

Ein Kraftstoffinjektor (1) zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer (18) einer Brennkraftmaschine mit einem Düsenkörper (2), der mindestens eine Einspritzöffnung (4) aufweist, weist erfindungsgemäß ein außerhalb des Düsenkörpers (2) angeordnetes, drehbar gelagertes Lamellenrad (22) mit mindestens einer Lamelle (25) auf, die vor der mindestens einen Einspritzöffnung (4) angeordnet ist und den aus der mindestens einen Einspritzöffnung (4) ausgetretenen und auf die Lamelle (25) auftreffenden Kraftstoffstrahl (27a) ablenkt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor nach der Gattung des Anspruchs 1.
Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist beispielsweise durch die DE 102 50 720 A1 bekannt geworden. Bei diesem bekannten Kraftstoffinjektor wird der Kraftstoff nur in Düsen-Spritzlochaustrittsrichtung in einen Brennraum ausgespritzt, wodurch der Kraftstoff im gesamten Brennraum nicht optimal verteilt wird.
Die Einhaltung der Schadstoffgrenzwerte hat bei der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen allerhöchste Priorität. Gerade ein Kraftstoffeinspritzsystem wie z. B. das Hochdruckspeichereinspritzsystem (Common Rail) hat sich als äußerst wirkungsvoll erwiesen, die im Abgas enthaltenen Schadstoffe zu reduzieren. Der Vorteil des Hochdruckspeichereinspritzsystems (Common Rail) liegt in der Unabhängigkeit des Einspritzdruckes von Last und Drehzahl der mit Kraftstoff zu versorgenden Verbrennungskraftmaschine.
Für die Einhaltung zukünftig zu erwartender Abgasgrenzwerte ist jedoch bei Verbrennungskraftmaschinen eine Verbesserung der Gemischbildung erforderlich. Dies wird einerseits durch den Einsatz der Abgasrückführung motiviert, wodurch zwar die Stickoxidbildung reduziert wird, die Rußbildung jedoch begünstigt wird. Diesem Effekt kann mit einer schnellen Durchmischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum bei Verbrennungskraftmaschinen entgegengewirkt werden, was heutzutage durch ein höheres Einspritzdruckniveau erreicht wird.
Bei den heutigen Einspritzsystemen wird der Kraftstoff unter hohem Druck durch die Spritzlöcher in den Brennraum eingespritzt. Dadurch entsteht eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Kraftstoffstrahl und der Luft im Brennraum, die so den Kraftstoffstrahl zerreißt bzw. zerstäubt. Die heutigen Direkteinspritz-Motoren (Diesel, Benzin) arbeiten mit heterogener innerer Gemischbildung. Das heterogene Gemisch kann aus reinem Kraftstoff im Strahlkern (Düsenmündung) bis zur reinen Luft in der Strahlaußenzone bestehen. Eine vollständige homogene Vermischung des eingespritzten Kraftstoffs mit Luft ist vor oder während der Verbrennung nicht möglich. Fette Gemischzonen sind für eine rußende Verbrennung verantwortlich. Stark beeinflusst wird die Gemischaufbereitung durch folgende Parameter:

– Anzahl der Spritzlöcher (max. 12 Spritzlöcher)
– Spritzlochdurchmesser (min. 0,1 mm)
– Einspritzdruck (max. 2000 bar)

Des Weiteren kann die Durchmischung von Luft und Kraftstoff durch Einleitung eines Dralls verbessert werden, der durch eine dementsprechend gestaltete Luftzuführung in dem Brennraum erzeugt wird. Diese Maßnahme führt zu einer entscheidenden Verbesserung der Emissionen der Verbrennungskraftmaschine. Dies wird durch eine Verwehung der Sprühstrahlen erreicht, wodurch mehr Luft für die eigentliche Verbrennung ausgenutzt werden kann. Diese Maßnahme der Durchmischung des Kraftstoff-Luftgemisches mittels eines Dralles hat jedoch den Nachteil, dass durch die Erzeugung des erwähnten Dralls die Ansaugverluste stark erhöht werden, was zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führt.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird der eingespritzte Kraftstoff mittels eines Lamellenrads im gesamten Verbrennungsraum raumdeckend bzw. gleichmäßig verteilt. Durch das schnell rotierende Lamellenrad wird der Kraftstoff während der Einspritzung viel gleichmäßiger im gesamten Brennraum verteilt als bei herkömmlichen Injektoren, somit ist eine bessere Verbrennung gewährleistet. Als Folge daraus kann im Vergleich zu herkömmlichen Einspritzungen der Kraftstoff viel besser ausgenutzt werden. Dadurch sind Einsparungen beim Kraftstoffverbrauch – bei gleicher Motorleistung – im Vergleich zu herkömmlichen Injektoren möglich.
Durch die kinetische Energie der aus dem Kraftstoffinjektor austretenden Kraftstoffstrahlen wird das Lamellenrad angetrieben, das durch seine Drehung die Kraftstoffstrahlen im Brennraum verteilt und so eine homogene Verteilung (Gemischaufbereitung) der eingespritzten Kraftstoffmenge im Brennraum erreicht. Außerdem wird der Kraftstoff durch das Lamellenrad besser zerstäubt und durch diese Oberflächenvergrößerung die Verbrennung weiter optimiert.
Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor hat insbesondere die folgenden Vorteile:

– Robustes, kostengünstiges Design.
– Optimale homogene Kraftstoffverteilung im Brennraum aufgrund der Ablenkung am sich drehenden Lamellenrad (Zentrifugalkraft).
– Homogene Gemischbildung (Kraftstoff/Luft) und dadurch optimale Verbrennung.
– Weniger, größere Düsenspritzlöcher (geringere Verkokung, stabileres Langzeitverhalten).
– Gemischbildung ist unabhängiger von der Anzahl der Düsenspritzlöcher.
– Montage und Demontage des Lamellenrads sind mit dem Kraftstoffinjektor von oben bzw. außen in den Zylinderkopfdeckel möglich.
– Keine weitere Einspritzdrucksteigerungen erforderlich, wodurch enorme Entwicklungskosten eingespart werden.
– Ca. 30% höhere Leistung bei gleichem Kraftstoffverbrauch oder vice versa.
– Kleinere Einspritzmengen (Leerlauf) sind realisierbar.
– Der Einsatz einer kostenoptimierten Düse (Einheitsdüse) ist möglich.
– Verbessertes Kaltstartverhalten.
– Notlaufeigenschaften.
– Am Motor muss der Zylinderkopfdeckel nur geringfügig zur Aufnahme des Kraftstoffinjektors mit Lamellenrad geändert werden.
– Aufhängung des Lamellenrads unterhalb einer Dichtscheibe des Kraftstoffinjektors oder am Düsenschaft sowie am Zylinderkopfdeckel.
– Aufhängung des Lamellenrads mit Rollen-, Kugel- oder Nadellager.
– Umsetzbar z. B. bei 4- und 2-Ventilmotoren mit koaxialem oder schrägem Einbau des Kraftstoffinjektors zur Kolbenachse.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen
Verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Gegenstands sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit einem rotierenden Lamellenrad und in einer koaxialen Einbaulage;
2 eine Ansicht des Lamellenrads gemäß II-II in 1;
3 eine Detailansicht einer Lamelle des Lamellenrads gemäß III in 2;
4 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit einem rotierenden Lamellenrad und in koaxialer Einbaulage, in einer Ansicht analog zu 1;
5 den in 4 gezeigten Kraftstoffinjektors in einer schrägen Einbaulage, in einer Ansicht analog zu 1; und
6 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors mit einem rotierenden Lamellenrad und in einer koaxialen Einbaulage, in einer Ansicht analog zu 1.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in 1 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 umfasst:

– eine in einem Düsenkörper 2 axial verschiebbar geführte Düsennadel 3, die eine oder mehrere Einspritzöffnungen 4 des Düsenkörpers 2 für eine Einspritzung mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff freigibt oder verschließt,
– einen an einen Hochdruckspeicher (nicht gezeigt) über eine Hochdruckleitung 5 angeschlossenen Steuerraum 6, über dessen Druck die Bewegung der Düsennadel 3 gesteuert wird,
– ein Schaltventil 7, dessen verschiebbar geführtes Ventilschließglied 8 die Verbindung des Steuerraums 6 zu einem an eine Leckageleitung 9 angeschlossenen Niederdruckraum 10 entweder sperrt oder öffnet,
– ein piezoelektrisches Aktormodul 11 zum Betätigen des Schaltventils 7,
– einen hydraulischen Koppler (Übersetzer) 12, über den das Aktormodul 11 mit dem Ventilschließglied 8 des Schaltventils 7 hydraulisch bewegungsgekoppelt ist, und
– einen Injektorkörper 13, an dem der Düsenkörper 2 mittels einer Düsenspannmutter 14 befestigt ist, wobei der Injektorkörper 13 die Hochdruckleitung 5, das Schaltventil 7, das Aktormodul 11 und den hydraulischen Koppler 12 aufweist.

Der Kraftstoffinjektor 1 ist in einer Bohrung 15 im Zylinderkopfdeckel 16 eingebaut und darin mittels einer Dichtscheibe 17 abgedichtet. Der Zylinderkopfdeckel 16 verschließt eine Brennkammer 18 im Zylinder 19 eines Motorblocks 20. Der Kraftstoffinjektor 1 ragt mit seinem Düsenkörper 2 in die Brennkammer 18 hinein, so dass der aus den Einspritzöffnungen 4 austretende Kraftstoff in die Brennkammer 18 eingespritzt wird.
In der geschlossenen Ventilstellung des Schaltventils 7, d. h. bei stromlosem Aktormodul 11, sperrt das Schaltventil 7 die Verbindung des Steuerraums 6 zum Niederdruckraum 10, wodurch die Düsennadel 3 durch den im Steuerraum 6 herrschenden Hochdruck in ihrer die Einspritzöffnungen 4 verschließenden Stellung ist. In der geöffneten Ventilstellung des Schaltventils 7, d. h. bei bestromtem Aktormodul 11, gibt das Schaltventil 7 die Verbindung des Steuerraums 6 zur Niederdruckseite frei, wodurch sich der Druck im Steuerraum 6 reduziert und die Düsennadel 3 für eine Kraftstoffeinspritzung öffnet.
Auf dem Düsenschaft 21 des Düsenkörpers 2 ist ein Lamellenrad 22 frei drehbar um die Achse 23 gelagert und über ein Kugellager 24 hängend gehalten. Wie in 2 gezeigt, weist das Lamellenrad 22 mehrere sichelförmige Lamellen 25 auf, die exzentrisch zur Drehachse 23 angeordnet sind. Die Lamellen 25 sind vor den Einspritzöffnungen 4 angeordnet (1) und weisen jeweils eine gegenüber den Einspritzöffnungen 4 derart schräg gestellte Lamellenfläche 26 auf (3), dass das Lamellenrad 22 durch die auf die Lamellenflächen 26 auftreffenden Kraftstoffstrahlen 27a in Drehrichtung 28 angetrieben wird. Der auftreffende Kraftstoffstrahl 27a wird an der sich drehenden Lamelle 25 in einen größeren Winkelbereich abgelenkt, wodurch der Kraftstoff während der Einspritzung viel gleichmäßiger in der gesamten Brennkammer 18 verteilt wird als bei herkömmlichen Injektoren. Der an der Lamellenflächen 26 abgelenkte Kraftstoffstrahl ist in 3 mit 27b bezeichnet.
Gegenüber dem Kraftstoffinjektor 1 der 1 unterscheidet sich der in 4 gezeigte Kraftstoffinjektor 1' dadurch, dass hier das Lamellenrad 22' zwischen der Dichtscheibe 17 und einem Ringabsatz 29 der Bohrung 15 hängend gehalten ist. Das Lamellenrad 22' weist an seinem brennkammerabgewandten Ende einen Ringbund 30 auf, der in einer ringförmigen Lageraussparung 31 der Dichtscheibe 17 drehbar gelagert ist.
Während die in den 1 und 4 gezeigten Kraftstoffinjektoren 1, 1' koaxial zur Kolbenachse 32 eingebaut sind, zeigt 5 den Kraftstoffinjektor 1' in einer bezüglich der Kolbenachse 32 schrägen Einbaulage.
Gegenüber dem Kraftstoffinjektor 1 der 1 unterscheidet sich der in 6 gezeigte Kraftstoffinjektor 1'' lediglich dadurch, dass hier das Lamellenrad 22'' nicht am Kraftstoffinjektor, sondern am Zylinderkopfdeckel 16 über ein Kugellager 24'' hängend gehalten ist. Das Lamellenrad 22'' kann weiterhin auf dem Düsenschaft 21 des Düsenkörpers 2 frei drehbar gelagert sein.
Anstatt über die auftreffenden Kraftstoffstrahlen kann die Rotation des Lamellenrads 22, 22', 22'' auch über einen externen Drehantrieb, zum Beispiel über eine elektromagnetische Kraft oder dergleichen, erzeugt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10250720 A1 [0002]

Claims

Kraftstoffinjektor (1; 1'; 1') zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkammer (18) einer Brennkraftmaschine, mit einem Düsenkörper (2), der mindestens eine Einspritzöffnung (4) aufweist, gekennzeichnet durch ein außerhalb des Düsenkörpers (2) angeordnetes, drehbar gelagertes Lamellenrad (22: 22'; 22'') mit mindestens einer Lamelle (25), die vor der mindestens einen Einspritzöffnung (4) angeordnet ist und den aus der mindestens einen Einspritzöffnung (4) ausgetretenen und auf die Lamelle (25) auftreffenden Kraftstoffstrahl (27a) ablenkt.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lamellenrad (22; 22'; 22'') frei drehbar gelagert ist und dass die mindestens eine Lamelle (25) gegenüber der mindestens einen Einspritzöffnung (4) derart schräg gestellt ist, dass das Lamellenrad (22; 22'; 22'') durch den auf die mindestens eine Lamelle (25) auftreffenden Kraftstoffstrahl (27a) in Drehrichtung angetrieben wird.
Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lamellenrad (22'; 22''; 22'') auf dem Düsenkörper (2) drehbar gelagert ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lamellenrad (22) an dem Düsenkörper (2), insbesondere mittels eines Kugellagers (24), hängend gehalten ist.
Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lamellenrad (22') mit einem Ringbund (30) in einer ringförmigen Lageraussparung (31) einer auf den Düsenkörper (2) aufgeschobenen Dichtscheibe (17) drehbar gelagert ist.
Zylinderkopfdeckel (16) mit einem Kraftstoffinjektor (1'') nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Lamellenrad (22'') an dem Zylinderkopfdeckel (16), insbesondere mittels eines Kugellagers (24''), hängend gehalten ist.