DE102006029210A1

DE102006029210A1 - Einspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102006029210A1
Application number: DE200610029210
Authority: DE
Inventors: Markus Reith
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2007-12-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse (1), insbesondere zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, mit . mindestens einer Düsenöffnung (5) zur Zuführung des Kraftstoffes in den Zylinder, . einer in Richtung Längsachse (15) der Einspritzdüse (1) zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition in einer Düsennadelführung (11) verschiebbaren Düsennadel (7), wobei die Düsennadel (7) die mindestens eine Düsenöffnung (5) in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zur Einspritzung des Kraftstoffes freigibt, . einer die Düsennadelführung (11) umgebenden ersten Isolierung (9) und . mindestens einem Elektrodenpaar (2a, 2b, 2c, 2d), das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden (3a, 3b, 3c, 3d, 4a, 4b, 4c, 4d) umfasst, wobei die erste Elektrode (4a, 4b, 4c, 4d) als Anode (4a, 4b, 4c, 4d) und die zweite Elektrode (3a, 3b, 3c, 3d) als Kathode (3a, 3b, 3c, 3d) dient und das Elektrodenpaar (2a, 2b, 2c, 2d) beabstandet zu der mindestens einen Düsenöffnung (5) angeordnet ist. Es soll eine Einspritzdüse (1) bereitgestellt werden, die eine sichere Entzündung des inhomogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches gewährleistet und den Einsatz von strahlgeführten Brennverfahren unterstützt. Erreicht wird dies durch eine Einspritzdüse (1) der oben genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass . das mindestens eine Elektrodenpaar (2a, 2b, 2c, 2d) in der Art angeordnet ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse, insbesondere zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, mit

– mindestens einer Düsenöffnung zur Zuführung des Kraftstoffes in den Zylinder,
– einer in Richtung Längsachse der Einspritzdüse zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel, wobei die Düsennadel die mindestens eine Düsenöffnung in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zur Einspritzung des Kraftstoffes freigibt,
– einer die Düsennadelführung umgebenden ersten Isolierung, und
– mindestens einem Elektrodenpaar, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden umfasst, wobei die erste Elektrode als Anode und die zweite Elektrode als Kathode dient und das Elektrodenpaar beabstandet zu der mindestens einen Düsenöffnung angeordnet ist.

Aufgrund der begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern, insbesondere aufgrund der begrenzten Vorkommen an Mineralöl als Rohstoff für die Gewinnung von Kraftstoffen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, ist man bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird grundsätzlich eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten. Daher steht eine qualitativ verbesserte d. h. weniger Schadstoff generierende Verbrennung bzw. eine effizientere d. h. verbrauchsoptimierte Verbrennung im Vordergrund der Bemühungen im Rahmen der Entwicklungsarbeiten.
Problematisch ist der Kraftstoffverbrauch insbesondere aufgrund des schlechteren Wirkungsgrades bei Ottomotoren. Der Grund hierfür liegt im prinzipiellen Arbeitsverfahren des traditionellen Ottomotors. Der traditionelle Ottomotor arbeitet mit einem homogenen Brennstoff-Luftgemisch, dass durch äußere Gemischbildung aufbereitet wird, indem in die angesaugte Luft im Ansaugtrakt Kraftstoff eingebracht wird. Die Einstellung der gewünschten Leistung erfolgt durch Veränderung der Füllung des Brennraumes, so dass dem Arbeitsverfahren des Ottomotors – anders als beim Dieselmotor – eine Quantitätsregelung zugrunde liegt.
Diese Laststeuerung erfolgt in der Regel mittels einer im Ansaugtrakt vorgesehenen Drosselklappe. Durch Verstellen der Drosselklappe kann der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe mehr oder weniger stark reduziert werden. Je weiter die Drosselklappe geschlossen ist d. h. je mehr sie den Ansaugtrakt versperrt desto höher ist der Druckverlust der angesaugten Luft über die Drosselklappe hinweg und desto geringer ist der Druck der angesaugten Luft hinter der Drosselklappe und vor dem Einlass in den Brennraum. Bei konstantem Brennraumvolumen kann auf diese Weise über den Druck der angesaugten Luft die Luftmasse d.h. die Quantität eingestellt werden. Dies erklärt auch, weshalb sich diese Art der Quantitätsregelung gerade im Teillastbereich als nachteilig erweist, denn geringe Lasten erfordern eine hohe Drosselung und Druckabsenkung im Ansaugtrakt. Die Quantitätsregelung mittels Drosselklappe hat daher thermodynamische Nachteile. Um die beschriebenen Drosselverluste zu senken, wurden verschiedene Strategien zur Laststeuerung entwickelt. Ein Lösungsansatz zur Entdrosselung des ottomotorischen Arbeitsverfahrens besteht in der Verwendung eines variablen Ventiltriebs.
Ein anderer Lösungsansatz zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs von Ottomotoren basiert auf der Übernahme technischer Merkmale, die ursprünglich als Kennzeichen des dieselmotorischen Verfahrens galten. Dies führt zu neuen sogenannten hybriden Brennverfahren.
Das traditionelle ottomotorische Verfahren ist dabei gekennzeichnet durch eine Gemischverdichtung, ein homogenes Gemisch, eine Fremdzündung, sowie die Quantitätsregelung, wohingegen das dieselmotorische Verfahren charakterisiert ist durch eine Luftverdichtung, ein inhomogenes Gemisch, eine Selbstzündung und die Qualitätsregelung. Der geringe Kraftstoffverbrauch der Dieselmotoren resultiert unter anderem aus einem hohen Verdichtungsverhältnis und geringen Ladungswechselverlusten aufgrund der Qualitätsregelung des Dieselmotors, bei der die Last über die eingespritzte Kraftstoffmenge gesteuert wird.
Insbesondere die Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum des Zylinders wird als eine geeignete Maßnahme angesehen, den Kraftstoffverbrauch auch bei Ottomotoren spürbar zu reduzieren, weshalb die Entwicklung direkteinspritzender Ottomotoren zunehmend an Bedeutung gewonnen hat. Weitere Vorteile ergeben sich aufgrund der – mit einer Direkteinspritzung prinzipbedingt verbundenen – Innenkühlung des Brennraums bzw. des Gemisches, wodurch eine höhere Verdichtung und/oder Aufladung und folglich eine bessere Ausnutzung des Kraftstoffes ohne die für den Ottomotor sonst charakteristische frühzeitige Selbstentzündung des Kraftstoffes, dem sogenannten Klopfen, möglich erscheint.
Dabei wird vorzugsweise während der Kompressionsphase der Kraftstoff direkt in den Brennraum d. h. in den Zylinder der Brennkraftmaschine eingespritzt. Für die Einspritzung des Kraftstoffes, die Gemischaufbereitung im Brennraum, nämlich die Durchmischung von Luft und Kraftstoff und die Aufbereitung des Kraftstoffes im Rahmen von Vorreaktionen einschließlich der Verdampfung, sowie der Zündung des aufbereiteten Gemisches stehen vergleichsweise kurze Zeiträume in der Größenordnung von Millisekunden zur Verfügung.
Infolgedessen liegt in der Regel während der Zündung und Verbrennung ein sehr inhomogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch vor, welches nicht durch ein einheitliches Luftverhältnis charakterisiert ist, sondern sowohl magere (λ > 1) Gemischteile als auch fette (λ < 1) Gemischteile aufweist. Die Bildung des für das dieselmotorische Verfahren charakteristischen Rußes, der in Gemischteilen mit einem unterstöchiometrischen Luftverhältnis (λ < 0.7) und bei Temperaturen oberhalb 1300°K unter extremen Luftmangel gebildet wird, wird dabei in Kauf genommen.
Bedingt durch die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum, die nur wenig Zeit zur Aufbereitung eines zünd- und brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches zur Verfügung stellt, sind direkteinspritzende ottomotorische Verfahren wesentlich empfindlicher gegenüber Änderungen und Abweichungen bei der Gemischbildung, insbesondere bei der Einspritzung, und der Zündung als herkömmliche ottomotorische Verfahren. Dabei erschwert die Inhomogenität des Gemisches bei direkteinspritzenden Ottomotoren grundsätzlich eine sichere und definierte Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
Aus den genannten Gründen wird zum einen eine Verbesserung der Gemischaufbereitung angestrebt. Zum anderen ist eine sehr feine – sowohl räumliche als auch zeitliche – Abstimmung von Einspritzung und Zündung erforderlich, insbesondere eine aufeinander abgestimmte Anordnung von Einspritzdüse und Zündkerze im Brennraum, was schon aufgrund des sehr begrenzten Platzangebots im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine nur bedingt möglich ist. Zu berücksichtigen ist dabei, dass im Zylinderkopf bereits die Steuerorgane – in der Regel Tellerventile – und Ölkanäle und gegebenenfalls die Kühlkanäle einer Wasserkühlung vorgesehen sind, so dass insbesondere bei den nach dem Stand der Technik bevorzugten Vier-Ventil-Motoren, die sich aufgrund des großen für den Ladungswechsel bereitgestellten Strömungsquerschnittes durch einen optimierten Gaswechsel auszeichnen, sehr beengte Platzverhältnisse vorliegen. Grundsätzlich wird eine unter Berücksichtigung von Fertigungs- und Montagetoleranzen möglichst genau definierte Anordnung von Einspritzdüse und Zündkerze zueinander angestrebt.
Im wesentlichen können drei Verfahren, die beim direkteinspritzenden Ottomotor zur Gemischbildung und Verbrennung Verwendung finden, unterschieden werden.
Beim luftgeführten Brennverfahren wird versucht, eine Ladungsbewegung beim Ansaugen der Luft in den Brennraum zu erzeugen, um auf diese Weise eine gute Durchmischung der angesaugten Luft und des direkt eingespritzten Kraftstoffes zu erzielen. Dabei wird eine möglichst weiträumige Verteilung des Kraftstoffes im gesamten Brennraum angestrebt. Bei dem in der EP 1 258 622 beschriebenen Verfahren wird hierzu ein Luftwirbelgenerator zur Erzeugung eines sogenannten Tumbles verwendet und der Einspritzstrahl gegen die Luftströmung gerichtet.
Beim wandgeführten Verfahren wird der Kraftstoff in der Art in den Brennraum eingespritzt, dass der Einspritzstrahl gezielt auf eine den Brennraum begrenzende Wand gerichtet wird, vorzugsweise in eine am Kolbenboden vorgesehene Mulde. Der Kraftstoffstrahl soll dabei durch den Aufprall in mehrere Teilstrahlen aufgespalten und umgelenkt werden, so dass ein möglichst großer Bereich des Brennraums von den Kraftstoffstrahlen erfasst wird.
Beim strahlgeführten Verfahren wird der Kraftstoff bewusst in Richtung Zündkerze eingespritzt, was durch eine entsprechende Ausrichtung des Einspritzstrahls erreicht wird bzw. durch eine entsprechende Anordnung von Einspritzdüse und Zündkerze im Brennraum, beispielsweise gegenüberliegend oder nahe beieinander. Der Gemischtransport erfolgt dabei im wesentlichen durch den Impuls des Einspritzstrahls, wobei die Bewegung der angesaugten Luft von untergeordneter Bedeutung ist. Im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Verfahren ist dabei die Ausdehnung der aufbereiteten Kraftstoff-Luft-Gemischwolke prinzipbedingt begrenzt. Insbesondere für den geschichteten Betrieb der Brennkraftmaschine wird das strahlgeführte Verfahren als zielführend angesehen.
Jedoch ist das strahlgeführte Verfahren besonders empfindlich gegenüber Änderungen und Abweichungen bei der Einspritzung und bei der Zündung. Hieraus resultieren in der Regel Drehungleichförmigkeiten d.h. Drehzahlschwankungen der Bremskraftmaschine und auch Fehlzündungen wie Klopfen bzw. Zündaussetzer, die den Einsatz des strahlgeführten Brennverfahrens, insbesondere der Schichtladung, nur in einem sehr begrenzten Drehzahl- und Lastbereich der Brennkraftmaschine gestatten. Dieser Nachteil wird aber in Kauf genommen, da das strahlgeführte Verfahren bei direkteinspritzenden Ottomotoren weitere Verbrauchsvorteile verspricht.
Dem begrenzten Einsatzbereich des strahlgeführten Verfahrens kann durch die integrale Ausbildung von Einspritzdüse und Zündkerze, welche Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, begegnet werden.
Die Direkteinspritzung des Kraftstoffes ist in der Regel mit einer teilweise erhöhten Schadstoffemission verbunden. Auch dahingehend verspricht das strahlgeführte Verfahren bei direkteinspritzenden Ottomotoren Vorteile d. h. eine Verbesserung des durch die Direkteinspritzung hervorgerufenen d. h. verschlechterten Emissionsverhaltens.
Hinsichtlich der bereits oben erwähnten Maßnahme, die Anordnung der Einspritzdüse und der Zündkerze im Brennraum aufeinander abzustimmen, um eine sichere Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu gewährleisten, findet sich im Stand der Technik ein Lösungsvorschlag, bei dem die Zündkerze und die Einspritzdüse zu einem Bauteil zusammengefasst werden.
Die DE 37 31 211 A1 beschreibt eine gattungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse d.h. eine Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit der Kraftstoff in den Zylinder einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine einspritzbar ist und der eingespritzte Kraftstoff auch gezündet werden kann.
Die Vereinigung der beiden Bauteile, nämlich der Zündkerze und des Einspritzventils, zu einem einzigen Bauteil hat mehrere Vorteile. Zum einen wird dem sehr begrenzten Platzangebot im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine Rechnung getragen. Zum anderen sind Einspritzdüse und Zündkerze nahe beieinander angeordnet, wobei die für eine sichere Zündung maßgeblichen Komponenten, insbesondere die Düsenöffnungen und die Elektroden, eine definierte unveränderliche Lage zueinander haben und damit auch die zwischen den Elektroden generierte Funkenstrecke in Bezug auf die durch die Düsenöffnungen austretenden Kraftstoffeinspritzstrahlen. Die feste Bauteilgeometrie ist hinsichtlich einer sicheren Entzündung als vorteilhaft anzusehen.
Das in der DE 37 31 211 A1 beschriebene Kraftstoffeinspritzventil vereint zwar Einspritzdüse und Zündkerze zu einem Bauteil, was zu den aufgezeigten Vorteilen führt. Jedoch sind diese beiden Komponenten in ihrer konstruktiven Ausgestaltung nicht optimal aufeinander abgestimmt, sondern lediglich in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet.
Bei dem Kraftstoffeinspritzventil gemäß der DE 37 31 211 A1 liegen die Elektrodenpaare gleich beabstandet auf einem konzentrisch um die Längsachse der Düsennadel angeordneten Kreis, wobei sich die Funkenstrecke bei Einleitung der Zündung in Umfangsrichtung dieses Kreise ausbildet d. h. tangential. Der aus der Düsenöffnung austretende Kraftstoff bildet einen Schirmstrahl.
Wird die Düse hingegen mit mehreren Düsenöffnung ausgestattet, so dass bei der Einspritzung des Kraftstoffes mehrere vereinzelte Kraftstoffeinspritzstrahlen vorliegen, ist eine sichere Entzündung mit einer Anordnung der Elektrodenpaare wie sie in der DE 37 31 211 A1 beschrieben wird, nicht mehr sichergestellt.
Deshalb sind weitere Optimierungen erforderlich, um die Entzündung zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und der Einhaltung eines vorgegebenen Zündzeitpunktes. Es wird eine möglichst geringe Abweichung des tatsächlichen Zündzeitpunktes von einem vorgegebenen Sollwert für den Zündzeitpunkt angestrebt.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der den aus dem Stand der Technik bekannten Problemen entgegen gewirkt wird, die insbesondere eine sichere Entzündung des inhomogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches gewährleistet und den Einsatz von strahlgeführten Brennverfahren, insbesondere der Schichtladung, unterstützt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Einspritzdüse mit

– mindestens einer Düsenöffnung zur Zuführung des Kraftstoffes in den Zylinder,
– einer in Richtung Längsachse der Einspritzdüse zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition in einer Düsennadelführung verschiebbaren Düsennadel, wobei die Düsennadel die mindestens eine Düsenöffnung in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zur Einspritzung des Kraftstoffes freigibt,
– einer die Düsennadelführung umgebenden ersten Isolierung, und
– mindestens einem Elektrodenpaar, das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden umfasst, wobei die erste Elektrode als Anode und die zweite Elektrode als Kathode dient und das Elektrodenpaar beabstandet zu der mindestens einen Düsenöffnung angeordnet ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– das mindestens eine Elektrodenpaar in der Art angeordnet ist, dass eine sich zwischen den das Elektrodenpaar bildenden Elektroden im Verlauf der Fremdzündung ausbildende Funkenstrecke im wesentlichen die Ausrichtung eines aus einer Düsenöffnung im Rahmen der Einspritzung austretenden kegelförmigen Kraftstoffeinspritzstrahls aufweist.

Die erfindungsgemäße Einspritzdüse führt zu einer sicheren Entzündung des inhomogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches bei direkteinspritzenden Ottomotoren, denn die Lage der Funkenstrecke, die sich im Rahmen der Zündung zwischen den Elektroden ausbildet, und die Lage des Kraftstoffeinspritzstrahls, der im Rahmen der Einspritzung aus einer Düsenöffnung austritt, sind aufeinander abgestimmt und unterliegen durch die integrale Bauweise nur geringen Toleranzen, die im wesentlichen durch die Fertigungstoleranzen bedingt sind.
Im Gegensatz zu dem in der DE 37 31 211 A1 beschriebenen Kraftstoffeinspritzventil, bei dem die Funkenstrecke senkrecht auf der Wegstrecke bzw. auf dem Impuls der eingespritzten Kraftstoffteilchen steht, haben bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse Funkenstrecke und Kraftstoffeinspritzstrahl im wesentlichen dieselbe Ausrichtung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll eine im wesentlichen gleiche Ausrichtung von Funkenstrecke und Kraftstoffeinspritzstrahl angenommen werden, wenn Funkenstrecke und Kraftstoffeinspritzstrahl einen spitzen Winkel α < 45°C bzw. α < 20°C, bilden, wobei die Mittelachse des Kraftstoffeinspritzstrahls zur Bestimmung des Winkels herangezogen wird und die Ebenen d.h. die Ebene, die von der Längsachse der Düse und dem Einspritzstrahl aufgespannt wird, und die Ebene, die von der Längsachse der Düse und der Funkenstrecke aufgespannt wird, ineinander gedreht werden.
Wird zur Einspritzung und Zündung nur ein Bauteil benötigt bzw. genutzt, ist dies insbesondere im Hinblick auf die begrenzten Platzverhältnisse im Zylinder vorteilhaft. Die Einspritzdüse und die Zündkerze sind nahe beieinander angeordnet und haben eine definierte unveränderliche Lage zueinander, was zu dem gewünschten Erfolg, nämlich einer sicheren Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, beiträgt.
Die erfindungsgemäße Einspritzdüse benötigt nur eine Bohrung, wodurch die Strömungsquerschnitte vergrößert ausgeführt werden können, wodurch der Ladungswechsel verbessert wird. Gleichzeitig kann im Zylinderkopf ein größerer Bauraumquerschnitt für die Wasserkühlung vorgesehen werden.
Dadurch wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Einspritzdüse gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bereitzustellen, welche eine sichere Entzündung des inhomogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches gewährleistet und den Einsatz von strahlgeführten Brennverfahren, insbesondere der Schichtladung, unterstützt.
Durch die erfindungsgemäße Einspritzdüse werden die Einsatzmöglichkeiten des geschichteten, direkteinspritzenden und strahlgeführten Brennverfahrens im Hinblick auf die möglichen Drehzahl- und Lastbereiche erheblich erweitert und sowohl die thermodynamische Effizienz und damit sowohl die Drehmomentcharakteristik und der Kraftstoffverbrauch, als auch das Emissionsverhalten erheblich verbessert.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzdüse werden im Zusammenhang mit den Ausführungsformen gemäß den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen das mindestens eine Elektrodenpaar im Bereich des kegelförmigen Kraftstoffeinspritzstrahls liegt, der aus der mindestens einen Düsenöffnung im Rahmen der Einspritzung austritt.
Bei dieser Ausführungsform sind die Funkenstrecke und der Kraftstoffeinspritzstrahl nicht nur im wesentlichen gleich ausgerichtet, sondern darüber hinaus räumlich beieinander angeordnet, weshalb der Kraftstoffeinspritzstrahl die Funkenstrecke beispielsweise auch kreuzen bzw. tangieren kann. In einem Grenzfall tangieren die verdampfenden Tröpfchen in der Randzone des kegelförmigen Kraftstoffeinspritzstrahls die Funkenstrecke.
Wie im Rahmen der Figurenbeschreibung noch deutlich werden wird, können gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einspritzdüse die Elektrodenpaare auf konzentrischen Kugelmantelflächen um die Langsachse der Düsennadel herum angeordnet sein, wobei die Anode auf einer Kugel kleineren Durchmessers und die Kathode auf einem Kugel größeren Durchmessers liegt oder umgekehrt. Die Düsenöffnungen können dabei seitlich an der Düsenspritze vorgesehen werden, wobei die Funkenstrecke die Mantelfläche eines von den Einspritzstrahlen ausgebildeten Einspritzkegels durchtritt bzw. tangiert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen eine mittig angeordnete Düsenöffnung vorgesehen ist, wobei ein aus dieser Düsenöffnung im Rahmen der Einspritzung austretender Kraftstoffstrahl im wesentlichen parallel zur Längsachse der Einspritzdüse verläuft.
Die Düsenöffnungen sollten im Bereich der Düsenspitze in der Art angeordnet werden, dass der eingespritzte Kraftstoff möglichst gleichmäßig im Brennraum verteilt wird. Dabei ist eine mittig angeordnete Düsenöffnung grundsätzlich zielführend.
Darüber hinaus bietet eine mittig angeordnete Düsenöffnung auch Vorteile hinsichtlich einer Ölverdünnung, worauf im folgenden kurz eingegangen werden soll. In Abhängigkeit vom Einspritzzeitpunkt gelangt ein mehr oder weniger großer Anteil des eingespritzten Kraftstoffes auf die Zylinderinnenwand, mischt sich dort mit dem anhaftenden Ölfilm und gelangt anschließend zusammen mit dem Öl und dem Blow-by Gas in das Kurbelgehäuse. Durch die Veränderung der Schmierstoffeigenschaften des Öls hat die Ölverdünnung maßgeblich Einfluss auf den Verschleiß und die Haltbarkeit d.h. die Lebensdauer der Brennkraftmaschine.
Der Kraftstoffeinspritzstrahl einer mittig angeordneten Düsenöffnung ist auf den Kolbenboden des Kolbens gerichtet, weshalb der durch diese Düsenöffnung eingespritzte Kraftstoff nicht auf die Zylinderinnenwand gelangen und folglich nicht zur Ölverdünnung beitragen kann und dies unabhängig vom Einspritzzeitpunkt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen mindestens zwei seitliche Düsenöffnungen vorgesehen sind, wobei die aus diesen Düsenöffnungen im Rahmen der Einspritzung austretenden Kraftstoffstrahlen auf der Mantelfläche eines gedachten Kegels liegen und die Langsachse der Einspritzdüse die Achse dieses gedachten Kegels bildet.
Wie bereits zuvor ausgeführt, soll der Kraftstoff während der Einspritzung möglichst gleichmäßig im Brennraum verteilt werden. Seitlich angeordnete Düsenöffnungen führen dazu, dass die Einspritzstrahlen den Brennraum weiträumig erfassen, was zur Ausbildung eines möglichst homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches führt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen eine mittig angeordnete Düsenöffnung und vier seitliche Düsenöffnungen vorgesehen sind. Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Ausbildung der Düse besonders vorteilhaft ist, insbesondere im Hinblick auf die Gemischaufbereitung bei direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen der gedachte Kegel einen Kegelöffnungswinkel γ aufweist mit 45° < γ < 135°. Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen der gedachte Kegel einen Kegelöffnungswinkel γ aufweist mit 60° < γ < 120°, oder Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen der gedachte Kegel einen Kegelöffnungswinkel γ aufweist mit 75° < γ < 105°, können aber ebenfalls vorteilhaft sein.
Einerseits sollte der Kegelöffnungswinkel γ möglichst groß sein, damit die Einspritzstrahlen den Brennraum weiträumig erfassen. Andererseits nimmt die Ölverdünnung mit größer werdendem Öffnungswinkel γ zu, da bei größeren Öffnungswinkeln γ mehr Kraftstoff auf die Zylinderinnenwand gelangt als bei kleineren Öffnungswinkeln γ, bei denen der Kraftstoff vorwiegend auf den Kolbenboden trifft.
Die beschriebenen Effekte werden zudem noch vom Einspritzzeitpunkt beeinflusst. Zu berücksichtigen ist darüber hinaus, welches Brennverfahren zur Anwendung kommt und ob beim Betrieb der Brennkraftmaschine häufig spät eingespritzt wird und/oder Nacheinspritzungen vorgenommen werden, beispielsweise zur Anhebung der Abgastemperatur oder zur Anreicherung des Abgases mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen.
Aus den genannten Gründen kann in einigen Anwendungsfällen ein kleinerer Kegelöffnungswinkel γ vorteilhaft sein, während in anderen Fällen ein größerer Kegelöffnungswinkel γ zu bevorzugen ist.
Im Rahmen der Festlegung des Kegelwinkels γ sollte gegebenenfalls die charakteristische Brennraumform und die Kolbenform berücksichtigt werden. Dabei können bei Vier-Takt-Motoren auch in zwei zueinander senkrechten Ebenen parallel zu den Zylinder-Hauptachsen, zwei verschiedene Kegelwinkel verwandt werden, z. B. bei dachförmigem Kolben mit Ventiltaschen. Dachförmige Kolben führen zu einer unsymmetrischen Brennraumform, so dass eine angepasst unsymmetrische Einspritzung vorteilhaft sein kann.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen für jede seitliche Düsenöffnung ein Elektrodenpaar vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform wird der Kraftstoff jedes seitlichen Einspritzstrahls entweder mittels eines separaten d. h. eigenen Elektrodenpaares entzündet, so dass die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches gleichzeitig an mehreren Stellen im Brennraum initiiert wird. Oder aber es stehen – falls die seitlichen Düsenöffnungen zwischen den Elektrodenpaaren angeordnet sind – für jede seitliche Düsenöffnung zwei Elektrodenpaare zur Verfügung; bei vier seitlichen und einer mittig angeordneten Düsenöffnung damit für die mittige Düsenöffnung sogar vier Elektrodenpaare. Auch bei dieser Variante wird die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches an mehreren Stellen im Brennraum initiiert. Dies sorgt insbesondere für eine verbesserte Flammenausbreitung und damit für eine schnelle Verbrennung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen die Elektroden des mindestens einen Elektrodenpaares im Bereich der mindestens einen Düsenöffnung bogenförmig ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung erleichtert die Anordnung der Elektroden im Bereich des Kraftstoffeinspritzstrahls, der aus der mindestens einen Düsenöffnung im Rahmen der Einspritzung austritt.
Eine bogenförmige Ausgestaltung der Elektroden erleichtert es, der Funkenstrecke eine im wesentlichen ähnliche Ausrichtung wie dem Kraftstoffeinspritzstrahl zu geben, der aus einer seitlichen Düsenöffnung austritt.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen die mindestens eine Anode aus einer die Düsennadelführung umgebenden Anodenhülse ausgebildet ist.
Vorteilhaft sind des weiteren Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen die mindestens eine Kathode aus einer die Düsennadelführung umgebenden Kathodenhülse ausgebildet ist.
Die hülsenförmige Ausbildung der Elektroden erleichtert die Verkabelung des erfindungsgemäßen Einspritzventils. So ist es beispielsweise ausreichend die Anodenhülse an die Hochspannungsquelle anzuschließen, um über sämtliche aus der Anodenhülse hervorgehenden Anoden die Hochspannung d. h. die Zündenergie einzuleiten. Des weiteren bietet die Hülsenform Vorteile bei der Fertigung und Montage, insbesondere bei der Positionierung und Befestigung der Elektroden in Bezug zu den Düsenöffnungen.
Dabei kann eine Positionierung der Elektroden durch Vorsehen von Absätzen und Nuten an bzw. in der Hülse erfolgen. So kann mittels Absätzen die Lage der Anoden- und Kathodenhülse entlang der Längsachse der Einspritzdüse festgelegt werden und damit, inwieweit die Elektroden in den Brennraum bzw. über die Düsenspitze hinweg in den Brennraum hineinragen. Nuten in der Außen- oder Innenfläche der Hülsen, die in Richtung der Längsachse der Einspritzdüse verlaufen, können zur Ausrichtung der Elektroden gegenüber den seitlichen Düsenöffnungen dienen und darüber hinaus zur Ausrichtung der Kathoden gegenüber den Anoden. Zudem können derartige Nuten die Aufgaben einer Verdrehsicherung übernehmen. Die Nuten und Freiräume zwischen den Hülsen können in einem Sinter- und/oder Spritzgussverfahren mit einer Isolationsmasse, vorzugsweise einer keramischen Isolationsmasse, ausgefüllt werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Einspritzdüse, bei denen die Kathodenhülse außerhalb oder innerhalb der Anodenhülse angeordnet ist. Dabei sind Ausführungsformen der Einspritzdüse vorteilhaft, bei denen zwischen Kathodenhülse und Anodenhülse eine Isolierung vorgesehen ist, wobei die Isolierung vorzugsweise ebenfalls als Hülse ausgebildet wird. Die Kathodenhülse kann an ihrer Außenfläche mit einem Schraubenkopf, mit welchem die erfindungsgemäße Einspritzdüse im Zylinderkopf und/oder an anderer geeigneter Position im Brennraum verschraubt werden, ausgestattet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels der Einspritzdüse gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine Ausführungsform der Einspritzdüse im Querschnitt entlang der Längsachse der Einspritzdüse, und
2 schematisch die in 1 dargestellte Einspritzdüse in der perspektivischen Darstellung.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Einspritzdüse 1 im Querschnitt entlang der Längsachse 15 der Einspritzdüse 1. Die dargestellte Einspritzdüse 1 dient zur – pro Arbeitsspiel ein- oder mehrmaligen – Einspritzung von Kraftstoff in einen Zylinder einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine und zur anschließenden Zündung des eingespritzten Kraftstoffes. Der Kraftstoff wird dabei über eine Kraftstoffversorgungsleitung 10 zugeführt.
Die Einspritzdüse 1 umfasst eine Düsennadel 7, die in einer zylinderförmigen Düsennadelführung 11 in Richtung der Längsachse 15 der Einspritzdüse 1 verschiebbar gelagert ist. Die Düsennadel 7 kann – mittels eines Aktuators (nicht dargestellt) – zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition verschoben werden.
Bei der in 1 dargestellten Momentaufnahme befindet sich die Düsennadel 7 in der Ruheposition, in der die Düsenadel 7 die an der Düsenspitze vorgesehenen Düsenöffnungen 5 verschließt, so dass kein Kraftstoff in den Zylinder der Brennkraftmaschine gelangen kann. Eine oberhalb der Düsennadel 7 angeordnete Düsenfeder 8 beaufschlagt die Düsenadel 7 mit einer Federkraft, welche die Nadel 7 entlang der Längsachse 15 in Richtung Ruheposition d. h. in Richtung Schließstellung drückt. In der Arbeitsposition hingegen gibt die Düsennadel 7 die Düsenöffnungen 5 zur Einspritzung des Kraftstoffes frei.
Die in 1 dargestellte Einspritzdüse 1 ist mit fünf Düsenöffnungen 5 ausgestattet, wobei eine mittig angeordnete Düsenöffnung 5 und vier seitliche Düsenöffnungen 5 vorgesehen sind. Der aus der mittig angeordneten Düsenöffnung 5 austretende kegelförmige Kraftstoffstrahl 17 verläuft parallel zur Längsachse 15 der Einspritzdüse 1 und zielt auf den Kolbenboden, falls die Düse 1 beispielsweise in der Weise im Zylinder der Brennkraftmaschine eingebaut ist, dass die Längsachse 15 der Einspritzdüse 1 mit der Längsachse des Zylinders zusammenfällt.
Die Kraftstoffstrahlen 17, die aus den seitlichen Düsenöffnungen 5 austreten, liegen auf der Mantelfläche eines gedachten Kegels, dessen Achse durch die Längsachse 15 der Einspritzdüse 1 gebildet wird. Der Kegelöffnungswinkel γ beträgt in etwa 75° d.h. γ ≈ 75°.
Die seitlichen Düsenöffnungen 5 sind dabei – gleichmäßig zueinander beabstandet – auf einem um die Längsachse 15 konzentrisch verlaufenden Kreis angeordnet.
Um die Bauteile betreffend die Einspritzung des Kraftstoffes von den zum Zwecke der Zündung vorgesehenen Komponenten elektrisch zu isolieren, ist eine erste Isolierung 9 vorgesehen, welche die Düsennadelführung 11 umgibt.
Für jede der vier seitlichen Düsenöffnungen 5 ist ein Elektrodenpaar 2a, 2b, 2d im Einspritzbereich angeordnet. D. h. es ist für jeden einzelnen Kraftstoffeinspritzstrahl 17, der die Einspritzdüse 1 durch eine seitliche Düsenöffnung 5 verlässt, eine separate Zündvorrichtung bzw. Zündung vorgesehen, wodurch die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches an mehreren Stellen im Brennraum vorgenommen wird.
Die Elektroden 3a, 3b, 3d, 4a, 4b, 4d sind im Bereich der seitlichen Düsenöffnung 5 bogenförmig ausgebildet, um den im Verlauf der Fremdzündung zwischen den Elektroden 3a, 3b, 3d, 4a, 4b, 4d ausgebildeten Funkenstrecken 12 im wesentlichen dieselbe Ausrichtung zu verleihen wie sie die aus den seitlichen Düsenöffnungen 5 im Rahmen der Einspritzung austretenden Kraftstoffeinspritzstrahlen 17 aufweisen. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verlaufen die Funkenstrecken 12 parallel zu den Einspritzstrahlen 17 d.h. α ≈ 0°.
Sowohl die Anoden 4a, 4b, 4d als auch die Kathoden 3a, 3b, 3d sind als Hülse 13, 14 ausgebildet, welche die Düsennadelführung 11 umgeben. D. h. die Anoden 4a, 4b, 4d bzw. Kathoden 3a, 3b, 3d laufen zu einer Hülse 13, 14 zusammen bzw. bilden bogenförmige zueinander beabstandete Stege, die von einer Hülse 13, 14 hervorstehen.
Die Kathodenhülse 13 ist außerhalb der Anodenhülse 14 angeordnet, wobei zwischen Kathodenhülse 13 und Anodenhülse 14 eine Isolierung 6 vorgesehen ist, um die beiden Hülsen 13, 14 voneinander und damit die Anoden 4a, 4b, 4d gegenüber den Kathoden 3a, 3b, 3d elektrisch zu isolieren. Die Isolierung 6 ist dabei in ihrem oberen Bereich als Isolierhülse 16 ausgebildet.
2 zeigt schematisch die in 1 dargestellte Einspritzdüse 1 in der perspektivischen Darstellung. Es soll an dieser Stelle nur ergänzend zu der bereits beschriebenen 1 ausgeführt werden, weshalb im übrigen Bezug genommen wird auf die Beschreibung von 1. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Aus der perspektivischen Darstellung der Einspritzdüse 1 ist ersichtlich, dass die sich im Verlauf der Zündung zwischen den Elektroden 3a, 4a – welche das erste Elektrodenpaar 2a bilden – ausbildende Funkenstrecke 12 im wesentlichen dieselbe Ausrichtung aufweist wie der aus der dazugehörigen seitlichen Düsenöffnung 5 austretende Kraftstoffeinspritzstrahl 17.
Darüber hinaus sind die Funkenstrecke 12 und der Kraftstoffeinspritzstrahl 17 räumlich beieinander angeordnet d. h. das erste Elektrodenpaar 2a liegt im Bereich des Kraftstoffeinspritzstrahls 17, der aus der zugehörigen seitlichen Düsenöffnung 5 austritt. Die Funkenstrecke 12 fluchtet mit dem aus einer Düsenöffnung 5 austretenden Kraftstoffeinspritzstrahl 17, weshalb der Kraftstoffeinspritzstrahl 17 auf die beiden Elektroden 3a, 4a zielt. Das anhand des ersten Elektrodenpaares 2a Beschriebene gilt entsprechend auch für die drei übrigen Elektrodenpaare 2b, 2c, 2d.
Die vier vorgesehenen Elektrodenpaare 2a, 2b, 2c, 2d sind gleichmäßig beabstandet auf konzentrischen Kugelmantelflächen um die Längsachse 15 der Düsennadel 7 bzw. der Einspritzdüse 1 herum angeordnet, wobei die Anoden 4a, 4b, 4c, 4d auf einer Kugel kleineren Durchmessers und die Kathoden 3a, 3b, 3c, 3d auf einer Kugel größeren Durchmessers liegen.
Aus der perspektivischen Darstellung wird zudem ersichtlich, dass die Anodenhülse 14 am oberen Ende mit einem Flansch – für ein in 2 nicht dargestelltes – Schraubengewinde ausgestattet ist und die Kathodenhülse 13 als Sechskantmutter ausgebildet wurde. Mit der Sechskantmutter wird die Einspritzdüse verschraubt. Über das Schraubgewinde der Anode wird mittels einer leitfähigen Mutter und Unterlegscheibe, an welcher die Zündkabel enden, der elektrische Kontakt zu der/den Zündspulen hergestellt.

1: Einspritzdüse
2a: Elektrodenpaar
2b: Elektrodenpaar
2c: Elektrodenpaar
2d: Elektrodenpaar
3a: Kathode
3b: Kathode
3c: Kathode
3d: Kathode
4a: Anode
4b: Anode
4c: Anode
4d: Anode
5: Düsenöffnung
6: Isolierung
7: Düsennadel
8: Düsenfeder
9: erste Isolierung
10: Kraftstoffversorgungsleitung
11: Düsennadelführung
12: Funkenstrecke
13: Kathodenhülse
14: Anodenhülse
15: Längsachse der Einspritzdüse, Längsachse der Düsennadel
16: Isolierhülse
17: Kraftstoffeinspritzstrahl
α: Winkel zwischen Funkenstrecke und Kraftstoffeinspritzstrahl
γ: Kegelöffnungswinkel

Claims

Einspritzdüse (1), insbesondere zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Zylinder einer direkteinspritzenden fremdgezündeten Brennkraftmaschine, mit – mindestens einer Düsenöffnung (5) zur Zuführung des Kraftstoffes in den Zylinder, – einer in Richtung Langsachse (15) der Einspritzdüse (1) zwischen einer Ruheposition und einer Arbeitsposition in einer Düsennadelführung (11) verschiebbaren Düsennadel (7), wobei die Düsennadel (7) die mindestens eine Düsenöffnung (5) in der Ruheposition verschließt und in der Arbeitsposition zur Einspritzung des Kraftstoffes freigibt, – einer die Düsennadelführung (11) umgebenden ersten Isolierung (9), und – mindestens einem Elektrodenpaar (2a, 2b, 2c, 2d), das zwei voneinander elektrisch isolierte und beabstandete Elektroden (3a, 3b, 3c, 3d, 4a, 4b, 4c, 4d) umfasst, wobei die erste Elektrode (4a, 4b, 4c, 4d) als Anode (4a, 4b, 4c, 4d) und die zweite Elektrode (3a, 3b, 3c, 3d) als Kathode (3a, 3b, 3c, 3d) dient und das Elektrodenpaar (2a, 2b, 2c, 2d) beabstandet zu der mindestens einen Düsenöffnung (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das mindestens eine Elektrodenpaar (2a, 2b, 2c, 2d) in der Art angeordnet ist, dass eine sich zwischen den das Elektrodenpaar (2a, 2b, 2c, 2d) bildenden Elektroden (3a, 3b, 3c, 3d, 4a, 4b, 4c, 4d) im Verlauf der Fremdzündung ausbildende Funkenstrecke (12) im wesentlichen die Ausrichtung eines aus einer Düsenöffnung (5) im Rahmen der Einspritzung austretenden kegelförmigen Kraftstoffeinspritzstrahls (17) aufweist.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Elektrodenpaar (2a, 2b, 2c, 2d) im Bereich des Kraftstoffeinspritzstrahls (17) liegt, der aus der mindestens einen Düsenöffnung (5) im Rahmen der Einspritzung austritt.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittig angeordnete Düsenöffnung (5) vorgesehen ist, wobei ein aus dieser Düsenöffnung (5) im Rahmen der Einspritzung austretender Kraftstoffstrahl (17) parallel zur Längsachse (15) der Einspritzdüse (1) verläuft.
Einspritzdüse (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei seitliche Düsenöffnungen (5) vorgesehen sind, wobei die aus diesen Düsenöffnungen (5) im Rahmen der Einspritzung austretenden Kraftstoffstrahlen (17) auf der Mantelfläche eines gedachten Kegels liegen und die Längsachse (15) der Einspritzdüse (1) die Achse dieses gedachten Kegels bildet.
Einspritzdüse (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittig angeordnete Düsenöffnung (5) und vier seitliche Düsenöffnungen (5) vorgesehen sind.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gedachte Kegel einen Kegelöffnungswinkel γ aufweist mit 45° < γ < 135°.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gedachte Kegel einen Kegelöffnungswinkel γ aufweist mit 60° < γ < 120°.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der gedachte Kegel einen Kegelöffnungswinkel γ aufweist mit 75° < γ < 105°.
Einspritzdüse (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jede seitliche Düsenöffnung (5) ein Elektrodenpaar (2a, 2b, 2c, 2d) vorgesehen ist.
Einspritzdüse (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3a, 3b, 3c, 3d, 4a, 4b, 4c, 4d) des mindestens einen Elektrodenpaares (2a, 2b, 2c, 2d) im Bereich der mindestens einen Düsenöffnung (5) bogenförmig ausgebildet sind.
Einspritzdüse (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Anode (4a, 4b, 4c, 4d) aus einer die Düsennadelführung (11) umgebenden Anodenhülse (14) ausgebildet ist.
Einspritzdüse (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kathode (3a, 3b, 3c, 3d) aus einer die Düsennadelführung (11) umgebenden Kathodenhülse (13) ausgebildet ist.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 12 in Rückbeziehung auf Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenhülse (13) außerhalb oder innerhalb der Anodenhülse (14) angeordnet ist.
Einspritzdüse (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kathodenhülse (13) und Anodenhülse (14) eine Isolierung (16) vorgesehen ist.