GEBIET DER ERFINDUNG
-
Diese Erfindung betrifft allgemein
Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen und insbesondere Wirbeleinrichtungen, mit denen
dem Kraftstoff beim Verlassen der Einspritzvorrichtung eine
Wirbelbewegung verliehen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen oder magnetbetätigte
Einspritzventile erfüllen die Funktion, Kraftstoff in die
Zylinder von Brennkraftmaschinen oder neben die Einlaßventile
der Zylinder von Brennkraf tmaschinen einzuführen. Je nach
den Eigenschaften der Brennkraftmaschine gibt die
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ihren Kraftstoff in einen
Bleistiftstrom, einem konischen Sprühstrahl, einem
Doppelsprühstrahl usw. ab, wobei dem Kraftstoff eine torusförmige oder
tangentiale oder wirbelförmige Bewegung oder auch nicht
verliehen wird.
-
Das U.S. Patent 4,971,254 ('254), das am 20. November 1990
Daly et al. erteilt wurde und das den Titel "Thin Orifice
Swirl Injector Nozzle" trägt, stellt eine
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung dar, bei der der Kraftstoff durch ein
Führungsteil stromauf eines dünnen Düsenteils durch mehrere
Löcher geführt wird, welche mit radialem Abstand zu der
Achse des Führungsteils angeordnet sind. Wenn der
Kraftstoff durch diese Löcher strömt, erfährt der Kraftstoff ein
Winkelimpuls, welcher die Divergenz der von der
Düsenscheibe abgegebenen Kraftstoffsäule vergrößert.
-
Bei diesem Patent '254 ist das Führungsteil stationär, und
es ruht auf dem konischen Sitzteil der
Einspritzvorrichtung. Wenn sich die Nadel in ihrer Schließstellung
befindet, verbleibt ein kleiner Teil restlichen Kraf tstoffes
zwischen dem Boden des Führungsteils und dem Einlaß des
Ventilsitzteils. Wenn die Nadel in die Öffnungsstellung
bewegt wird, wird diese kleine Menge restlichen Kraftstoffes
abgelassen, und lediglich der nachfolgende Kraftstoff, d.h.
der Kraftstoff, der durch das Führungsteil strömt, verläßt
die Einspritzvorrichtung in einem Wirbelstrom.
-
Die GB-A-118 856 ist eine Öl-Kraftstoff-Sprühvorrichtung
mit spiralförmigen Nuten an der Oberfläche eines konischen
Stopfens, welcher der Luft und dem flüssigen Kraftstoff,
die die Vorrichtung verlassen, eine Kreiselbewegung
verleihen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es ist von Vorteil, eine Wirbeleinrichtung für Kraftstoff-
Einspritzvorrichtungen zu schaffen, bei der mindestens ein
Teil ortsfest und ein anderes Teil beweglich ist.
-
Es ist ein Hauptvorteil der Wirbeleinrichtung, dem
Strömungsmittel die Sollstärke der Wirbelstromkomponente
unmittelbar nach Öffnen der Einspritzvorrichtung zu verleihen
und diese Sollstärke im gesamten Bereich des Volumenstroms
des Ventils aufrechtzuerhalten.
-
Es ist ein weiterer Vorteil der Wirbeleinrichtung, das
restliche Strömungsmittelvolumen in der Wirbeleinrichtung
praktisch zu eliminieren, wenn das Ventil durch das
bewegliche Teil der Wirbeleinrichtung verschlossen wird.
-
Es ist ein weiterer Vorteil der Wirbeleinrichtung, den an
dem beweglichen Teil der Wirbeleinrichtung anliegenden
Druckabfall als Folge der die Wirbeleinrichtung
verlassenden strömung dazu zu verwenden, die Schließzeit der
Einspritzvorrichtung zu verringern, wenn die Erregerleistung
abgeschaltet wird.
-
Es ist noch ein weiterer Vorteil der Wirbeleinrichtung, für
eine Dämpfung sowohl beim Öffnen wie auch Schließen der
Einspritzvorrichtung zu sorgen, um ein Zurückprallen der
Nadel zu verhindern.
-
Diese und weitere Vorteile finden sich in einer
Wirbeleinrichtung für eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit einer
Nadel, die sich zwischen einer Schließstellung und einer
von mehreren Öffnungsstellungen hin und her bewegt. Ein
Ventilsitzteil besitzt einen eine Düsenöffnung umgebenden
Sitzbereich, wobei die Nadel so betätigbar ist, daß sie zum
Schließen der Düsenöffnung mit dem Sitzbereich
zusammenwirkt. Die Wirbeleinrichtung besitzt ein ortsfestes
Führungsteil, das an dem Ventilsitzteil angebracht ist und
hierbei einen Wirbelstromkanal bildet, der an der
Düsenöffnung beginnt und stromauf des Führungsteils endet, sowie
ein bewegliches Teil mit mehreren Lappen, das mit der Nadel
gekoppelt und mit ihr bewegbar ist, um zusammen mit der
Führung ein Wirbelstromvolumen mit einem axialen
Strömungskanalabschnitt und einem spiralförmigen
Strömungskanalabschnitt zu bilden. Der spiralförmige
Strömungskanalabschnitt beginnt an dem Ende des axialen Strömungskanals und
endet an der Düsenöffnung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
In den Zeichnungen ist:
-
Fig&sub0; 1 eine Draufsicht auf eine
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit Zuführung von oben, bei der Teile
weggebrochen sind, um die Konstruktion der
Wirbeleinrichtung
gemäß der vorliegenden Erfindung
zu zeigen;
-
Fig. 2 eine horizontale Schnittansicht entlang der Linie
2-2 in Fig. 1;
-
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig.
-
Fig. 4 eine perspektivische Explosionsdarstellung der
Wirbeleinrichtung der Fig. 1.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
-
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Einspritzvorrichtung 10
oder ein Einspritzventil, bei dem Kraftstoff dem
Kraftstoffeinlaß 12 an der Oberseite der Einspritzvorrichtung
zugeführt wird und Kraftstoff an dem Kraftstoffauslaß 14 am
Boden der Einspritzvorrichtung 10 austritt. Die
Einspritzvorrichtung 10 der Fig. 1 ist eine Einspritzvorrichtung mit
Kraftstoffzuführung von oben. Die vorliegende Erfindung
betrifft eine Wirbeleinrichtung 16 in dem Düsenbereich der
Einspritzvorrichtung, die an dem Kraftstoffauslaßende 14
angeordnet und in dem weggebrochenen Abschnitt dargestellt
ist.
-
Beginnend mit dem Kraftstoffeinlaß 12 bzw. dem
stromaufwärtigen Ende der Einspritzvorrichtung 10 besitzt die
Einspritzvorrichtung eine Nadel 18, die durch einen
Elektromagneten betätigt wird, um die Kraftstoffströmung aus der
Düse zu steuern. In Fig. 3 wird die Nadel 18 bei ihrer
Hinund Herbewegung durch die Wirbeleinrichtung 16 geführt. Das
Ende 20 der Nadel, das bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel eine sphärische oder runde Fläche 42 sein kann, ruht
auf der Apex des Ventilsitzteus 22, um die Strömung des
Kraftstoffes aus dem Einlaß 12 zum Auslaß 14 zu
unterbinden. Stromab in dem Ventilsitzteil 22 befindet sich eine
das Ventilsitzteil durchdringende Öffnung 24, die den
Kraftstoffstrom der dünnen Düsenscheibe 26 zuführt. Der
Kraftstoff fließt durch die dünne Düsenscheibe und dann aus
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung heraus. Ein Halteteil
28 stützt die dünne Düsenscheibe ab.
-
Die dünne Düsenscheibe kann ein Düsenteil sein, wie es in
irgendeiner der folgenden U.S. Patente 4,854,024;
4,923,169; 4,934,635 oder 4,958,430 beschrieben ist.
-
Sowohl die Fig. 1 wie auch die Fig. 3 zeigen die
Einspritzvorrichtung 10 in dem entregten bzw. geschlossenen Zustand,
in dem der Kraftstoff nicht aus der Einspritzvorrichtung
herausströmt. Wenn der Elektromagnet erregt wird, wird die
Nadel 18 von dem Ventilsitzteil 22 abgehoben, und der
Kraftstoff fließt von dem Einlaßende 12 der
Einspritzvorrichtung durch die Wirbeleinrichtung 16 und die dünne
Düsenscheibe 26 am Auslaßende 14 der Einspritzvorrichtung 10
nach außen.
-
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die
Düseneinrichtung 16 aus mindestens einem beweglichen Lappenteil
30, das an der Nadel 18 befestigt ist, und mindestens einem
ortsfesten Führungsteil 32, das das Lappenteil 30 aufnehmen
kann. Durch Zusammenwirken dieser beiden Teile 30, 32 und
des Ventilsitzteiles 22 wird erreicht, daß dem durch die
Einspritzvorrichtung 10 strömenden Kraftstoff eine
Tangential- bzw. Wirbelkomponente verliehen wird, was ein
Wirbelmuster zur Folge hat. Das Aufteilen der
Wirbeleinrichtung 16 in mehrere Teile einschließlich des Lappenteils 30
erzeugt eine sich bewegende Masse; indem jedoch die sich
bewegende Masse minimiert wird, wird die Betätigungsenergie
nur sehr wenig erhöht, so daß die Betätigungsgeschwindig
keit beim Öffnen des Ventils nicht beeinträchtigt wird.
-
Das Ventilsitzteil 22 bildet eine untere, unbewegliche
Begrenzung sowohl der Wirbeleinrichtung 16 wie auch des
Wirbelvolumens 34. Die Bodenfläche 44 des Lappenteils 30
bildet
die obere Begrenzung des Wirbelvolumens 34. Bei
Einspritzvorrichtungen wie z.B. bei der in dem U.S. Patent
4,971,254 ist zwischen dem Nadel-Führungsteil 18 und dem
Sitz 26 des Ventilsitzteils 20 ein Volumen vorhanden, indem
sich bei geschlossener Einspritzvorrichtung restlicher
Kraftstoff befindet. Beim Öffnen der Düsenöffnung wird der
restliche Kraftstoff aus der Einspritzvorrichtung
abgelassen.
-
Das Lappenteil 30 füllt dieses Volumen im wesentlichen aus,
so daß der restliche Kraftstoff, der, wenn überhaupt, in
der verschlossenen Einspritzvorrichtung verbleibt,
praktisch eliminiert ist. Die Seitenflächen 46 des Lappenteils
30 zusammen mit dem Führungsteil 32 bilden die seitliche
Begrenzung des Wirbelvolumens 35, wie im folgenden
beschrieben wird. Das Führungsteil 32 ist eine stationäre
Führung, die eine seitliche oder axial verlaufende Fläche
des Wirbelvolumens 35 bildet. Das Führungsteil 32 wirkt mit
einem lappenverbindenden Band 36 an dem Lappenteil 30
zusammen, um die Nadel 18 bei ihrer Hin- und Herbewegung zu
führen. Das Führungsteil 32 ist durch nicht gezeigte
Haltemittel in seiner Position gesichert.
-
Das Lappenteil 30, das in den Zeichnungen drei in gleichen
Winkelabständen angeordnete Lappen 38, 39, 40 besitzt, ist
an der Nadel 18 befestigt und bewegt sich daher mit der
Nadel hin und her. Um eine Drehung des Lappenteils zu
verhindern, wird der Radius des Außenumf angs bzw. der
Seitenfläche 46 jedes Lappens im Uhrzeigersinn, bei Ansicht der
Fig. 2, kleiner. Andere Drehsicherungsverfahren können
verwendet werden, beispielsweise das Anordnen einer Stufe
in dem Führungsteil 32 derart, daß sich die Lappen nicht
drehen können. Solch eine Stufe würde ein kleiner werdendes
Volumen 35 verhindern. Die drei Lappen sind durch ein
lappenverbindendes Band 36 verbunden, das außerdem dazu dient,
die Nadel 18 in dem Führungsteil 32 zu führen. Die Lappen
bilden, wenn die Nadel 18 auf dem Ventilsitzteil 22 sitzt,
ein kleines axiales Wirbelvolumen 35, das axial entlang der
Seitenfliche 46 der Lappen 38, 39, 40 zu der Fläche des
Ventilsitzteils 22 verläuft, sowie entlang desselben ein
weiteres kleines Wirbelvolumen 34 bis zu der Öffnung 24 in
dem Ventilsitzteil 22. Bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel ist das Volumen 34 zwischen der Bodenfläche 44 der
Lappen und dem Ventilsitz sehr sehr klein, um das
Restvolumen zu verringern. Es wird nicht durch unmittelbare
Berührung auf Null reduziert, um zu verhindern, daß das
Strömungsmittel eine Adhäsionskraft (Strömungsmittelhaftung)
bildet, die die Tendenz hat, die Lappen 38, 39, 40 mit dem
Ventilsitzteil 22 in Berührung zu halten. Die runde Fläche
42 des Endes 20 der Nadel 18 dichtet die Öffnung 24 ab und
begrenzt außerdem die Kapazität des Wirbelvolumens 34.
-
Das Führungsteil 32 ist ein zylindrisch ausgebildetes Teil
mit einem konischen Ende, das so ausgelegt ist, daß es in
das konisch ausgebildete Ventilsitzteil 22 paßt und darin
durch Haltemittel, die nicht gezeigt sind, gehalten wird.
Der Abschnitt des Führungsteils 32 entlang seiner Achse
besitzt eine Öffnung einer solchen Größe und Form, daß sie
die Lappen 38, 39, 40 mit enger Passung auf mindestens zwei
Seiten der Lappen aufnehmen kann und die Bodenfläche der
Lappen eine enge Passung mit dem Ventilsitzteil hat. Die
dritte Seite zusammen mit dem Lappenteil 30 bildet ein
axial verlaufendes Volumen 35 einer vorgegebenen Größe.
-
Im Betrieb wird der Elektromagnet erregt, um die Nadel 18
in axialer Richtung von dem Ventilsitzteil 22 wegzubewegen.
Wenn sich die Nadel 18 zu bewegen beginnt, wird die sehr
kleine Menge restlichen Kraftstoffs, falls welcher
vorhanden ist, aus der Einspritzvorrichtung abgelassen, und der
Kraftstoff, der in dem Wirbelvolumen 34 zwischen dem Boden
der Lappen und dem Ventilsitz vorhanden ist, beginnt,
entlang dem Ventilsitz zu der Öffnung 24 zu fließen. Da die
Kapazität des Wirbelvolumens 34 entsprechend sowohl der
Menge wie auch der Geschwindigkeit der Strömung größer
wird, hat das die Einspritzvorrichtung verlassende
Strömungsmittel von Anfang an die Sollwirbelstärke und hält
diese Stärke über den gesamten Bereich des Volumenstroms
aufrecht.
-
Wenn sich die Nadel 18 von dem Ventilsitzteil 22 weiter weg
bewegt, wird der untere Abschnitt 34 des Wirbelvolumens
größer, und das Strömungsmittel in dem Wirbelvolumen 34, 35
fließt entlang dem Ventilsitzteil 22 zwischen der Fläche
des Ventilsitzes und der Bodenfläche 44 der Lappen 38, 39,
40. Dieses
Hochgeschwindigkeits-Niederdruck-Strömungsmittel, das sich quer über die obere und untere Begrenzung des
Wirbelvolumens 34 bewegt, drückt die bewegliche obere
Begrenzung, die Bodenfläche 44 der Lappen 38, 39, 40 in
Richtung auf die untere Begrenzung, welches diejenige Fläche
des Ventilsitzteils 22 ist, die der die Nadel 18 anhebenden
Magnetkraft entgegengerichtet ist. Wenn daher die dem
Elektromagneten zugeführte Leistung abgeschaltet wird, hat der
Druckabfall an dem beweglichen Teil der Wirbeleinrichtung
die Wirkung, daß er dabei mithilft, die Nadel 18 zu dem
Ventilsitzglied 22 zurückzubewegen und das Ventil zu
schließen.
-
Die Geometrie der Wirbeleinrichtung 16 und ihrer passenden
Teile bilden ein Dämpfungsmittel, das ein Zurückprallen des
Ventilteils sowohl beim Öffnen wie auch Schließen
verhindert. Beim Öffnen ist eine viskose Dämpfung zwischen der
axialen Fläche der Lappen 38, 39, 40 und den angrenzenden
Flächen in dem Führungsteil 32 vorhanden. Beim Schließen
sorgt das Quetschvolumen in dem Volumen 35 für eine
Strömungsmittel-Flächendämpfung. Natürlich muß das Volumen 34
so ausgelegt werden, daß eine strömungsmittelbedingte oder
hydraulische Haftung zwischen den benachbarten Flächen
verhindert wird.
-
Die Geometrie des Strömungskanals von der Oberseite der
Lappen 38, 39, 40 zu der Öffnung 24 ist zweigeteilt. Der
erste Abschnitt 35 ist ein axialer Kanal von der Oberseite
der Lappen zu der Fläche des Ventilsitzteils 22 ohne
irgendwelche Strömungsdrosselungen. Der zweite Abschnitt 34
ist ein spiralförmig konvergierender Kanal, der an der
Öffnung 24 endet. Der zweite Abschnitt 34 des Wirbelvolumens
ändert sein Volumen, wenn die Nadel 18 zurückgezogen wird,
was eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit und somit
einen Druckabfall an der Wirbeleinrichtung 16 zur Folge
hat. Das Volumen des ersten Abschnitts ist vergleichsweise
größer als das Volumen des zweiten Abschnitts 34. Die
Dynamik in der Auslegung des ersten und zweiten Abschnittes
ist derart, daß, falls das Volumen des zweiten Abschnittes
nicht konvergiert, und die Fläche groß bleibt, der
Niederdruckbereich größer und die Schließkraft größer ist. Es ist
offensichtlich, daß man den Niederdruckbereich und die
Größe des Restvolumens ausgleichen muß, um die erwünschten
Eigenschaften der Einspritzvorrichtung zu erreichen.
-
Wenn auch ein Lappenteil 30 mit drei Lappen dargestellt
wurde, ist es jedoch ersichtlich, daß die Anzahl der Lappen
eine Auslegungsfrage ist.