Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren

Abstract

 Die Erfindung schlägt eine Kraftstoff-Luft-Gemischbildungs­vorrichtung für Verbrennungsmotoren vor, mit einem rota­tionssymmetrischen Düsenkörper (2), der zusammen mit einem in ihm verschiebbaren rotationssymmetrischen Drosselkörper (8) eine konvergent-divergente Düse bildet, die in ein Saug­rohr (7) des Verbrennungsmotors mündet. In der Nähe des engsten Querschnittes (5) der Düse ist ein um diese um­laufender und in diese mündender Kraftstoffspalt (11) vor­gesehen, in den mindestens eine Kraftstoffzuleitung (9, 10) mündet. Im divergenten Düsenbereich (6) des Düsenkör­pers (2) ist eine Heizvorrichtung (15) angeordnet, die sicherstellt, daß ein beim Einspritzen des Kraftstoffes annähernd quer zur Richtung des Hauptluftmassenstromes L in den Innenraum des Düsenkörpers sich an der Wandung des divergenten Düsenbereiches des Düsenkörpers anlagernder Kraftstoffilm fast vollständig abgedampft wird und so die Gemischbildung verbessert wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Luft-Gemischbil­dungsvorrichtung für Verbrennungsmotoren mit einem rota­tionssymmetrischen Düsenkörper, der zusammen mit einem in ihm verschiebbaren rotationssymmetrischen Drosselkör­per eine konvergent-divergente Düse bildet, die in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors mündet, sowie ein in der Nähe des engsten Querschnitts der Düse um diese umlaufen­der und in diese mündender Spalt vorgesehen ist, in den mindestens eine Kraftstoffzuleitung mündet.

[0002] Je homogener das Kraftstoff-Luft-Gemisch bereits vor dem Eintritt in die Brennkammern des Motors durch die Gemisch­bildungsvorrichtung aufbereitet wird und je kleiner die in diesem Gemisch vorhandenen Kraftstofftröpfchen sind, um so kleiner wird der effektive Kraftstoffverbrauch und um so gleichmäßiger ist die Verbrennung nicht nur bei auf­einanderfolgenden Arbeitsspielen in ein und demselben Zylinder, sondern auch in sämtlichen Zylindern des Motors, um so höher wird die erzielbare Motorleistung.

[0003] Bei einer aus der DE 36 43 882 A1 bekannten Gemischbildungsvorrichtung der genannten Art wird der Kraftstoff quer zur Strömungsrichtung der durch die Düse strömenden Luft filmartig über den gesamten Umfang der Düse zugeführt. Die Hauptmasse des zugeführten Kraftstof­fes wird in der weiteren Folge durch die quer zum Kraft­ stoffilm strömende Luftmasse zerstäubt, wobei die ent­stehende Tröpfchengröße mit steigender Geschwindigkeit des Luftmassenstromes abnimmt. Der im Radialspalt strö­mende Kraftstoff haftet infolge Adhäsion an seinen Wan­dungen und bleibt auch nach dem Übertritt in den divergen­ten Düsenbereich des Düsenkörpers in einem mehr oder weniger starken Film an den Wandungen desselben bis zum Ende des Düsenkörpers haften. Am Ende des Düsenkörpers löst der Kraftstoffilm wegen der dort nur geringen Luftge­schwindigkeit in Form größerer Tröpfchen ab, im Gegensatz zu den ungleich kleineren Tröpfchen in der Kernströmung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Die Folge ist ein stärkerer Kraftstoffilm im Saugrohr mit dem hierdurch bedingten Nach­teil einer ungleichmäßigen Gemischzusammensetzung für die einzelnen Zylinder und für ein und denselben Zylinder bei aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen, was zu einer insta­tionären Belastung des Motors führt und Veränderungen der mittleren Abgaszusammensetzung bewirkt, so daß auch nach dem Katalysator eine Verschlechterung der Abgasqualität zu verzeichnen ist.

[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrich­tung der genannten Art so weiter zu bilden, daß eine verbesserte Gemischbildung gewährleistet ist.

[0005] Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß der Düsenkörper im divergenten Düsenbereich mit einer Heizeinrichtung ver­sehen ist. Die Aufheizung sollte dabei möglichst nahe nach der Stelle der Kraftstoffzufuhr, somit dem in die Düse mündenden Spalt beginnen. Sie kann beispielsweise elek­trisch und/oder vorzugsweise - durch ein vom Motor auf­geheiztes Medium, insbesondere Kühlwasser, Schmieröl, Ab­gas erfolgen. Durch die Aufheizung des Düsenkörpers im divergenten Düsenbereich, wobei die Heizeinrichtung zweck­mäßig in unmittelbarer Nähe zur Innenwandung des betref­fenden Abschnittes des Düsenkörpers in diesem angeordnet sein sollte, dampft der an der Innenwandung befindliche Kraftstoffilm fast vollständig ab, um so mehr, je stärker die Wandung des Düsenkörpers aufgeheizt wird. Das in das Saugrohr übertretende Kraftstoff-Luft-Gemisch enthält da­durch neben Kraftstoffdampf nur noch Kraftstofftröpfchen sehr kleinen Durchmessers, die in der weiteren Folge durch Krümmungsänderungen des Saugrohres kaum mehr auszentrifu­giert werden und damit die Saugrohrbenetzung auf eine für den praktischen Motorbetrieb unwesentliche Größe vermindern. Neben der Verbesserung der Gemischbildung wird durch die Aufheizung des Düsenkörpers im divergenten Düsenbereich auch die Vereisung des Zerstäubers verhindert.

[0006] Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß sich die Heizeinrichtung über die gesamte Länge des dem Spalt nachgeordneten Düsenkörpers erstreckt und damit eine Beheizung des Düsenkörpers vom Kraftstoff­eintrittsbereich bis zum Saugrohr stattfindet; darüber hinaus wird zweckmäßig auch das Saugrohr, insbesondere der dem Düsenende zugewandte Bereich des Saugrohrs mittels einer Heizeinrichtung beheizt. Auch diese Beheizung kann beispielsweise elektrisch und/oder durch ein vom Motor aufgeheiztes Medium erfolgen.

[0007] Konstruktiv kann die Heizeinrichtung so ausgebildet sein, daß sie im Düsenkörper im Bereich dessen Innenwandung an­geordnete Heizkanäle mit einem Heizmediumeintritt und einem Heizmediumaustritt aufweist. Um die Heizleistung zu verbes­sern können die Heizkanäle schraubenförmig angeordnete Heizrippen durchsetzen, wobei das Heizmedium zweckmäßig entgegen der Strömungsrichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Düse durch die Heizkanäle strömt. Um auch bei noch kaltem Motor und damit noch kaltem, vom Motor aufzu­heizendem Heizmedium eine Aufheizung des Düsenkörpers sicherzustellen, sollte im Heizkanal ein elektrisches Heiz­element angeordnet sein, mit dem das Heizmedium während der Warmlaufphase des Motors erhitzt wird.

[0008] Damit der radial zur Düse zugeführte Kraftstoff durch das Heizmedium nicht aufgeheizt wird - was in der weiteren Fol­ge zur Dampfblasenbildung führen könnte - sollte durch ge­eignete Maßnahmen der Wärmewiderstand zwischen der Heiz­einrichtung und den kraftstofführenden Bauteilen möglichst groß gehalten werden. Dies kann beispielsweise durch Iso­lationsstoffe und/oder kleine Wärmeleitquerschnitte und/­oder lange Wärmeleitwege zwischen der Heizeinrichtung und den kraftstofführenden Bauteilen sichergestellt werden.

[0009] Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren und in den Unteransprüchen dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombina­tionen von Einzelmerkmalen erfindungswesentlich sind.

[0010] In den Figuren ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungs­formen verdeutlicht, ohne hierauf beschränkt zu sein. Es zeigt:

Figur 1 eine erste und zweite Ausführungsform der erfin­dungsgemäßen Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvor­richtung in einem Längsschnitt mit einem geraden Diffusor, jeweils mit unterschiedlichen Heizein­richtungen auf den beiden Bildseiten,

Figur 2 eine dritte und vierte Ausführungsform der erfin­dungsgemäßen Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvor­richtung in einem Längsschnitt mit einem geraden Diffusor, jeweils mit unterschiedlichen Heizein­richtungen auf den beiden Bildseiten und

Figur 3 eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung in einem Längsschnitt mit einem Radialdiffusor.

[0011] In Figur 1 ist eine gedachte Längsachse der Kraftstoff-­Luft-Gemischbildungsvorrichtung, um die Teile dieser Ge­mischbildungsvorrichtung symmetrisch ausgebildet sind, mit 1 bezeichnet. Im wesentlichen rotationssymmetrisch geformt ist ein Düsenkörper 2 mit seiner inneren Wandung 3. Der von der inneren Wandung begrenzte Innenraum in dem Düsen­körper verjüngt sich in seinem oberen Bereich 4 nach unten stetig bis zu einer Stelle bei dem Bezugszeichen 5 des engsten lichten Querschnitts. An diesen schließt sich nach unten ein gerader Diffusor 6 an, der in ein Saugrohr 7 des Verbrennungsmotors mündet. Oben wird die Kraftstoff-Luft-­Gemischbildungsvorrichtung über ein nicht dargestelltes Luftfilter mit Luft beaufschlagt. Der Hauptluftmassenstrom strömt also in Pfeilrichtung L von oben nach unten.

[0012] Zur Regelung des Hauptluftmassenstroms dient in Verbindung mit dem Düsenkörper ein ebenfalls rotationssymmetrisch um die Längsachse geformter Drosselkörper 8, der dazu in Rich­tung der Längsachse gemäß Doppelpfeil A einstellbar ist. Ein oberer Teil des Drosselkörpers erweitert sich von oben stetig und mündet in einen wesentlichen unteren Teil des Drosselkörpers, der sich von oben nach unten stetig verjüngt. Der Durchlaß für den Luftmassenstrom zwischen dem Düsenkörper und dem Drosselkörper wird also um so mehr verengt, je weiter der Drosselkörper nach unten verschoben ist. Der Düsenkörper bildet zusammen mit dem Drosselkörper eine konvergent-divergente Düse.

[0013] Zur Kraftstoffzufuhr in den Innenraum des Düsenkörpers ist dessen Wandung mit einer Kraftstoffzuleitungsbohrung 9 versehen, die über einen Kraftstoffringkanal 10 in einen Kraftstoffspalt 11 übergeht. Der Kraftstoffspalt liegt in einer Querschnittsebene im Bereich des engsten lichten Querschnittes und weist eine zu dem Innenraum des Düsenkörpers gerichtete Spaltöffnung 12 auf. Die Spaltöff­nung erstreckt sich also ebenso wie der umlaufende Kraft­stoffspalt über 360°. Zur gleichmäßigen Verteilung des in den Düsenkörper über dessen Umfang eintretenden Kraftstoff­stroms ist der Kraftstoffringkanal mit einem verhältnis­mäßig kleinen Strömungswiderstand ausgebildet, während der Kraftstoffspalt einen verhältnismäßig hohen Strömungswider­stand aufweist. In den Kraftstoffspalt wird außer Kraft­ stoff Luft unter höherem Druck annähernd unter Umgebungs­luftdruck eingeleitet. Hierzu steht der Kraftstoffspalt über einen Luft-Ringkanal 13 sowie Bohrungen 14 mit einem nicht näher gezeigten Innenraumabschnitt in dem Düsenkörper in Verbindung, in dem praktisch der Luftdruck der Umgebung herrscht, während in der Spaltöffnung 12 ein Luftdruck von etwa der Hälfte des Umgebungsdruckes herrscht, und die Luft an dieser Stelle mit Schallgeschwindigkeit strömt. Durch die Luftzuführung wird eine Dampfblasenbildung vermieden, da hier der Kraftstoff praktisch unter Atmosphärendruck steht. Die Luftzuführung und der sich an sie anschließende Kraftstoffspalt sind so bemessen, daß in ihnen etwas Luft mit dem Kraftstoff vermischt wird. Dadurch erhält der aus der Spaltöffnung 12 austretende Kraftstoff eine höhere Ge­schwindigkeit als ohne eine solche Luftbeimischung. Im Er­gebnis erfolgt damit die Kraftstoffzuführung zu der Ver­brennungsluft bzw. dem Luftmassenstrom gleichmäßig über den Umfang des Düsenkörpers und filmartig. Dennoch ist im Betrieb der beschriebenen Kraftstoff-Luft-Gemischbildungs­vorrichtung festzustellen, daß im Kraftstoffspalt 11 strö­mender Kraftstoff an dessen Wandungen infolge Adhäsion haftet und auch nach dem Übertritt in den Diffusor in einem mehr oder weniger starken Film an dessen innerer Wandung bis zum Ende des Diffusors haften bleibt, wo sich der Kraft­stoffilm wegen der dort nur noch geringen Luftgeschwindig­keit in Form größerer Tröpfchen ablöst.

[0014] Um diesen Nachteil zu beheben, ist, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, der gerade Diffusor mit einer Heizein­richtung 15 versehen, die ein fast vollständiges Abdampfen der an der Wandung des Diffusors befindlichen Kraftstoff­filmes bewirkt.

[0015] Im Detail zeigt die linke Bildhälfte der Figur 1 eine Aus­führungsform einer Heizeinrichtung 15 mit einem im Düsen­körper im Bereich dessen innerer Wandung angeordneten Heizkanal 16. Der Heizkanal ist ringförmig ausgebildet und umgibt damit die innere Wandung des Diffusors vollstän­dig. Er weist einen, auf die durch den Diffusor tretende Strömung bezogen, stromabwärts gelegenen Motorkühlwasser­eintritt 17 und einen stromaufwärts gelegenen Motorkühl­wasseraustritt 18 auf, womit die Aufheizung des Diffusors im Gegenstrom durch das heiße Motorkühlwasser erfolgt. Da­mit der radial zum Diffusor zugeführte Kraftstoff durch das Motorkühlwasser nicht aufgeheizt wird - was in der wei­teren Folge zur Dampfblasenbildung führen könnte - ist durch konstruktive Ausbildung der Kraftstoff-Luft-Gemischbildungs­vorrichtung der Wärmewiderstand zwischen dem Motorkühlwas­ser und den kraftstofführenden Kanälen möglichst groß ge­halten. So ist der Heizkanal zwischen einem ersten, inneren, den Diffusor bildenden Ringelement 19 und einem zweiten, äußeren Ringelement 20 gebildet, das innere Ringelement ist an seinem stromaufwärts gelegenen Ende mit einer sich radial nach außen erstreckenden Ringplatte 21 versehen, zwischen dieser und dem, ein separates Bauteil bildenden oberen Bereich des Düsenkörpers ist der Kraftstoffspalt gebildet. Das außen am inneren Ringelement anliegende äus­sere Ringelement ist beabstandet von der Ringplatte 21 mit einer sich gleichfalls radial nach außen erstreckenden Ring­platte 22 versehen, die sich im Bereich ihres freien äus­seren Endes über einen Isolierring 23 an der Ringplatte 21 abstützt. Zwischen den beiden Ringplatten ist ein ring­förmiger Luftspalt 24 gebildet, im Bereich des Luft-Ring­kanales und der Spaltöffnung weist die Ringplatte 21 eine reduzierte Plattenstärke auf und es ist auch das innere Ringelement im Bereich der Spaltöffnung in seiner Dicke reduziert. Die reduzierte Dicke des inneren Ringelementes und der Ringplatte 21 bedingt eine Verkleinerung der Wärme­leitquerschnitte durch diese Bauteile und damit einen er­höhten Wärmewiderstand, in gleicher Richtung wirkt der zwi­schen den beiden Ringplatten befindliche Luftspalt und der Isolierring zwischen den Ringplatten.

[0016] Zur weiteren Verminderung des Kraftstoffilmes auch an den Wandungen 25 des Saugrohres ist die dem Diffusorende gegen­überliegende Wandung des Saugrohres gleichfalls mit einer Heizeinrichtung 26 versehen, die symmetrisch zur Rotations­achse des Drosselkörpers einen Heizkanal 27 und in gleichem Abstand von dieser Achse einen Motorkühlwassereintritt 28 sowie einen Motorkühlwasseraustritt 29 aufweist.

[0017] Die rechte Bildhälfte der Figur 1 zeigt eine entsprechend der linken Bildhälfte ausgestaltete Kraftstoff-Luft-Gemisch­bildungsvorrichtung, bei der jedoch die Heizeinrichtung 15 eine mit dem inneren Ringelement verbundene schraubenförmig angeordnete Heizrippe 30 aufweist, die den Heizkanal durchsetzt. Die Heizrippe ist so angeordnet, daß das Motorkühlwasser entgegen der Strömungsrichtung des Kraft­stoff-Luft-Gemisches durch den Diffusor durch den Heizkanal strömt.

[0018] Figur 2 zeigt in der linken Bildhälfte eine mit der linken Bildhälfte der Figur 1 übereinstimmende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrich­tung, bei der jedoch in den Heizkanal eine schraubenförmige, elektrisch beheizbare Heizschlange 31 eingesetzt ist. Nicht näher dargestellt sind in diesem Bildbereich die elektri­schen Zuleitungen zur Heizschlange. Mittels der Heizschlange kann in der Warmfahrphase des Verbrennungsmotors das Motor­kühlwasser elektrisch aufgeheizt werden. Bei Erreichen der Betriebstemperatur des Motores wird die Heizschlange abge­schaltet und es erfolgt das Aufheizen der Innenwandung des Diffusors ausschließlich über das heiße Motorkühlwasser.

[0019] Die rechte Bildhälfte der Figur 2 verdeutlicht eine Variante, bei der das Aufheizen der Innenwandung des Dif­fusors nicht über ein einen Heizkanal durchströmendes Heiz­medium erfolgt, sondern isolierte, elektrische Heizschlangen 32 unmittelbar das den Diffusor bildende Ringelement 19 durchsetzen. Bei dieser Ausführungsform kann auf ein äußeres Ringelement 20 verzichtet werden, die Ringplatte 22 wird vom Ringelement 19 aufgenommen. Die Aufheizung der Innen­wand des Diffusors erfolgt ausschließlich elektrisch.

[0020] Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungs­gemäßen Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung, bei der der Diffusor als Radialdiffusor ausgebildet ist. Mit den Ausführungsformen in den Figuren 1 und 2 in ihrer Funk­tion übereinstimmende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Entsprechend der Ausbildung der Vorrichtung gemäß der linken Bildhälfte der Figur 1 ist die in Figur 3 gezeigte Vorrichtung mit einem Heizkanal 16 versehen,mit gegenüberliegendem Motorkühlwassereintritt 17 und Motor­kühlwasseraustritt 18. Zur Vergrößerung des Wärmeleitwider­standes zwischen dem Motorkühlwasser und den kraftstoff­führenden Kanälen sind bei der Vorrichtung gemäß Figur 3 die gleichen Maßnahmen - bis auf den Isolierring 23 - wie unter den Figuren 1 und 2 beschrieben, vorgesehen.

Bezugszeichenliste

[0021] 

1 Lagerachse

2 Düsenkörper

3 innere Wandung

4 oberer Bereich

5 engster Querschnitt

6 Diffusor

7 Saugrohr

8 Drosselkörper

9 Kraftstoffzuleitungsbohrung

10 Kraftstoff-Ringkanal

11 Kraftstoffspalt

12 Spaltöffnung

13 Luft-Ringkanal

14 Bohrung

15 Heizeinrichtung

16 Heizeinrichtung

17 Motorkühlwassereintritt

18 Motorkühlwasseraustritt

19 inneres Ringelement

20 äußeres Ringelement

21 Ringplatte

22 Ringplatte

23 Isolierring

24 Luftspalt

25 Wandung

26 Heizeinrichtung

27 Heizkanal

28 Motorkühlwassereintritt

29 Motorkühlwasseraustritt

30 Heizrippe

31 Heizschlange

32 Heizschlange

Ansprüche

1. Kraftstoff-Luft-Gemischbildungsvorrichtung für Verbren­nungsmotoren, mit einem rotationssymmetrischen Düsen­körper, der zusammen mit einem in ihm verscheibbaren rotationssymmetrischen Drosselkörper eine konvergent­divergente Düse bildet, die in ein Saugrohr des Verbren­nungsmotors mündet, sowie ein in der Nähe des engsten Querschnittes der Düse um diese umlaufender und in diese mündender Spalt vorgesehen ist, in dem mindestens eine Kraftstoffzuleitung mündet,
dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (2) im divergenten Düsenbereich (6) mit einer Heizeinrichtung (15) versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (15) im Bereich des in die Düse mündenden Spaltes (11) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­net, daß sich die Heizeinrichtung (15) über die gesamte Länge des dem Spalt (11) nachgeordneten Düsenkörpers (6) erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Saugrohr (7), insbesondere der dem Düsenende zugewandte Bereich (25) des Saugrohres (7), mit einer Heizeinrichtung (26) versehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des Düsenkörpers (2) im divergenten Düsenbereich (6) elektrisch und/oder durch ein vom Verbrennungsmotor aufgeheiztes Medium, insbesondere Kühlwasser, Schmieröl, Abgase erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (15) ein oder mehrere, im Düsen­körper (6) im Bereich dessen innerer Wandung (19) ange­ordnete Heizkanäle (16) mit einem Heizmediumeintritt (17) und einem Heizmediumaustritt (18) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkanäle (16) schraubenförmig angeordnete Heizrippen (30) durchsetzen und das Heizmedium entgegen der Strömungsrichtung (L) des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Düse durch die Heizkanäle (16) strömt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (2) zwischen der Kraftstoffzuleitung (9, 10) und der Heizeinrichtung (15) sowie dem Spalt (11) und der Heizeinrichtung (15) einen hohen Wärmewiderstand aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Iso­lationsstoffe (23) und/oder kleine Wärmeleitquerschnitte und/oder lange Wärmeleitwege zwischen der Heizeinrich­tung (16) und den kraftstofführenden Bauteilen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (2) im divergenten Düsenbereich als gerader Diffusor (6 - Figuren 1 und 2) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (2) im divergenten Düsenbereich als Radialdiffusor (6 - Figur 3) ausgebil­det ist.

Zeichnung