DE102006043460A1 - Method for optimizing injection nozzle for internal combustion engine, involves sliding nozzle body and needle axially in bore of body, where particle swarm optimization is used for geometric arrangement of nozzle - Google Patents

Method for optimizing injection nozzle for internal combustion engine, involves sliding nozzle body and needle axially in bore of body, where particle swarm optimization is used for geometric arrangement of nozzle Download PDF

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Abstract

The method involves sliding a nozzle body (1) and a needle (3) axially in a bore (2) of the body against a clamping force. The needle has a valve sealing face (4) on the combustion chamber front face. The valve seat (6) of the body interacts with the needle for controlling a flow cross section to an injection opening (5) in the engine. A mathematical method as a particle swarm optimization (PSO) is used for the geometric arrangement of the nozzle by using any selection-independent parameter and the criteria determined and considered for the constructive arrangement of the nozzle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for optimizing an injection nozzle for an internal combustion engine according to the generic term of claim 1.

Eine Einspritzdüse besteht bekanntlich aus einem Düsenkörper und einer in einer Bohrung des Düsenkörpers entgegen einer Schließkraft axial verschiebbaren Düsennadel, die an ihrer brennraumseitigen Stirnfläche eine Ventildichtfläche aufweist, mit dieser sie zur Steuerung eines Durchflussquerschnittes zu mindestens einer Einspritzöffnung in den Brennraum der Brennkraftmaschine mit einer Ventilsitzfläche des Düsenkörpers zusammenwirkt. Die Einspritzdüse ist in einen Düsenhaltekörper eingebaut, an dessen oberen Ende bekanntlich die Einspritzleitung angeschlossen wird. Der Kraftstoff wirkt in einer Druckkammer innerhalb des Düsenkörpers auf eine schräge Schulter der Düsennadel und öffnet sie gegen eine Schließkraft, die in der Regel hydraulisch oder per Federkraft bewirkt wird.A injection is known from a nozzle body and one in a bore of the nozzle body opposite a closing force axially displaceable nozzle needle, which has a valve sealing face on its combustion-chamber-side end face, with this you at least to control a flow cross-section an injection port in the combustion chamber of the internal combustion engine with a valve seat surface of Nozzle body cooperates. The injector is installed in a nozzle holding body, at the upper end known to be connected to the injection line becomes. The fuel acts in a pressure chamber within the nozzle body a weird one Shoulder of the nozzle needle and open it against a closing force, which is usually effected hydraulically or by spring force.

Eine gebräuchliche Einspritzdüse ist beispielsweise die so genannte Lochdüse, wie beispielsweise aus der DE 198 41 192 A1 bekannt, die bevorzugt in Motoren mit direkter Einspritzung eingebaut wird. Die Lochdüse, deren Bohrung im Düsenkörper in Form einer Sackbohrung ausgeführt ist, wird oft mit mehr als 12 Bohrungen in einer Düsenkuppe gefertigt. Die endgültige Gestalt einer Lochdüse wird in der Regel im Motorenversuch festgestellt. Dabei müssen die verschiedenen Düsenvarianten hinsichtlich beispielsweise Lochzahl, Bohrungsdurchmesser, Bohrungslänge, Winkel zwischen den Löchern und Winkel der Bohrungen zur Zylinderachse in Ihrem Einfluss auf Leistung, spezifischen Kraftstoffverbrauch sowie Schadstoffemissionen und mehr untersucht werden.A common injection nozzle, for example, the so-called hole nozzle, such as from the DE 198 41 192 A1 known, which is preferably installed in direct injection engines. The hole nozzle, whose bore is made in the nozzle body in the form of a blind bore, is often made with more than 12 holes in a nozzle tip. The final shape of a hole nozzle is usually found in the engine test. The different nozzle variants have to be investigated in terms of their influence on performance, specific fuel consumption as well as pollutant emissions and more with regard to, for example, number of holes, bore diameter, bore length, angle between the holes and angle of the holes to the cylinder axis.

Die Gestaltung der Einspritzdüse besitzt entscheidenden Einfluss auf die motorische Verbrennung. Für die Ausbildung des Einspritzstrahls sind seitens der Lochdüse besonders Anzahl, Durchmesser, Lage und geometrische Gestaltung der Düsenlöcher sowie ein hoher Druck im Sackloch wesentlich. Die Emission von Kohlenwasserstoffen (HC) und Partikeln (z. Bsp. Ruß) aber auch der Kraftstoffverbrauch steigen unter anderem mit zunehmendem Volumen des Sacklochs. Es ist weiterhin bekannt, dass ein zu großes Sacklochvolumen zu verstärkter Kontamination des Motorschmieröls und zu erhöhtem Verschleiß der Zylinderlaufbahn beiträgt.The Design of the injection nozzle has a decisive influence on motor combustion. For the Formation of the injection jet are special on the part of the hole nozzle Number, diameter, location and geometric design of the nozzle holes as well a high pressure in the blind hole essential. The emission of hydrocarbons (HC) and particles (eg soot) but also the fuel consumption increase among other things with increasing Volume of the blind hole. It is also known that too large blind hole volume too strong Contamination of engine lubricating oil and to increased wear of the cylinder liner contributes.

Ferner ist die Einspritzdüse mechanisch, thermisch und hydraulisch hoch belastet. Daher müssen zu den funktionalen Erfordernissen beispielsweise an der Düsenkuppe und im Nadelsitz konstruktive Regeln bezüglich der Bauteilfestigkeit eingehalten werden.Further is the injector mechanically, thermally and hydraulically highly loaded. Therefore, you have to the functional requirements, for example, at the nozzle tip and in the needle seat constructive rules regarding the component strength be respected.

Es sind bereits mathematische Verfahren zum Entwurf eines Einspritzventils bekannt, bei diesen die geometrische Gestaltung ein System in Form einer Zielfunktion f(x) aus verschiedenen, beispielsweise oben beschriebenen Parametern in einem Variablenraum umfasst, bei dem die Zielfunktionswerte iterativ durch mehrere Berechnungsschritte ermittelt werden, wobei in jedem Berechnungsschritt eine von der Zielfunktion f(x) abhängige und auf einer stochastischen Differentialgleichung beruhende Entwicklung einer stochastischen Größe berechnet wird. Die mit diesem numerischen Verfahren ermittelten optimalen Zielfunktionswerte und die zugehörigen Parameter werden dann zum Entwurf der Einspritzdüse verwendet.It are already mathematical methods for the design of an injection valve known in these the geometric design of a system in the form of a Target function f (x) from various, for example, described above Includes parameters in a variable space where the objective function values are iterative be determined by several calculation steps, wherein in each Calculation step one dependent on the objective function f (x) and development based on a stochastic differential equation calculated stochastic size becomes. The optimal objective function values determined using this numerical method and the associated ones Parameters are then used to design the injector.

Wegen der hohen Komplexität der Zusammenhänge ist eine solche sequenzielle Herangehensweise oft nicht zielführend.Because of the high complexity the connections Such a sequential approach is often not effective.

Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur Optimierung einer Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine anzugeben, deren Gestaltung zumindest hinsichtlich der Reduzierung der Schadstoffemissionen, der Verbesserung des Verschleißverhaltens und der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs optimiert ist.Of these, Starting from the object of the present invention, a method for optimizing an injection nozzle for one Specify internal combustion engine whose design at least in terms the reduction of pollutant emissions, the improvement of the wear behavior and the reduction of fuel consumption is optimized.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Optimierung einer Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst.These The object is achieved by a method for optimizing an injection nozzle for an internal combustion engine according to claim 1 solved.

Die hier vorliegende Erfindung stellt ein völlig neuartiges Verfahren zur Optimierung einer Einspritzdüse dar, mit diesem alle Arten von Einspritzdüsen bezogen auf die jeweiligen Anforderungen und Randbedingungen optimiert werden können.The The present invention provides a completely new method Optimization of an injection nozzle with this all types of injectors based on the respective Requirements and boundary conditions can be optimized.

In den Ausführungsbeispielen werden speziell Mehrlochdüsen mit Sackloch mit einer (1) oder mehreren (2) versetzt übereinander angeordneten Reihen von Einspritzöffnungen betrachtet.In the embodiments, especially multi-hole nozzles with blind hole with a ( 1 ) or several ( 2 ) staggered rows of injection openings viewed.

Der implementierte Algorithmus ist eine von der Anmelderin entwickelte multikriterielle Version eines Particle Swarm Optimization-Algorithmus. Die Partikelschwarm-Algorithmen sind eine aus dem Gebiet der künstlichen Intelligenz hervorgegangene Klasse naturanaloger stochastischer Verfahren zur Optimierung. Der Algorithmus basiert auf einer Population von Partikeln (Satz von Parametern als mögliche Lösung), die sich wie Vögel in einem Schwarm gegenseitig bei der Bewegung im Suchraum beeinflussen (siehe J. Kennedy, R. Eberhart: Particle Swarm Optimization. Proc. IEEE Int. Conf. an Neural Networks, 1995, S. 1942-1948 ).The implemented algorithm is a multi-criteria version of a Particle Swarm Optimization algorithm developed by the Applicant. The particle-swarm algorithms are a class of naturally-analogous stochastic optimization methods derived from the field of artificial intelligence. The algorithm is based on a population of particles (set of parameters as a possible solution) that, like birds in a flock, influence each other in the movement in the search space (see J. Kennedy, R. Eberhart: Particle Swarm Optimization. Proc. IEEE Int. Conf. to Neural Networks, 1995, pp. 1942-1948 ).

Ziel der Particle Swarm Optimization (PSO) ist es, generell das Optimum einer untersuchten Funktion, der Zielfunktion f(x), zu finden – dieses kann entsprechend der Definition ein Maximum oder ein Minimum darstellen. Es soll aber nicht – wie in der Regel bei den eingangs beschriebenen numerischen Verfahren – irgendein lokales Optimum sondern das globale Optimum des gesamtem Suchraums, d.h. Lösungsraums gefunden werden.The aim of Particle Swarm Optimization (PSO) is to find the optimum of an examined function, the objective function f (x), in general may be a maximum or minimum according to the definition. However, it is not intended - as is generally the case with the numerical methods described at the outset - to find any local optimum but the global optimum of the entire search space, ie solution space.

Die Parameter (Partikeln) der PSO werden zu Anfang der Rechnung stochastisch und/oder determiniert über den gesamten Lösungsraum verteilt, sie haben damit eine entsprechende Position im Variablenraum. Den Partikeln werden zur Initialisierung ebenfalls stochastische und/oder determinierte Geschwindigkeitsvektoren zugeordnet.The Parameters (particles) of the PSO become stochastic at the beginning of the calculation and / or determined via the entire solution space distributed, they have a corresponding position in the variable space. The particles are also stochastic for initialization and / or determined velocity vectors.

Für jeden weiteren Schritt des Optimierungsalgorithmus orientiert sich jedes Partikel unter anderem an der Lage der Nachbarpartikeln und seiner eigenen bisher besten Position. Aus den individuell besten Lösungen jedes einzelnen Partikels wird die beste Lösung des Schwarms durch eine Vergleichsoperation ausgewählt. Der Schwarm tendiert so als ganzes in Richtung des am besten positionierten Partikels.For each Each step of the optimization algorithm is based on each one Particles among other things, the location of the neighboring particles and his own best position so far. From the individually best solutions each single particle will be the best solution of the swarm by one Comparison operation selected. The swarm tends as a whole in the direction of the best positioned Particle.

Die Orientierung der Partikeln im Lösungsraum ist n-dimensional, je nach Anzahl der Kriterien/unabhängigen Parameter/Unbekannten der Zielfunktion f(x).The Orientation of the particles in the solution space is n-dimensional, depending on the number of criteria / independent parameters / unknowns the objective function f (x).

Die Zielfunktion kann so formuliert werden, dass mehrere Zielgrößen mit eigener Gewichtung darin vereint werden. Sie wird dann als Gütefunktion bezeichnet. Die Zielgrößen entsprechen den mathematisch erfassbaren konkreten Anforderungen, wie beispielsweise ein zu minimierendes Sacklochvolumen in der Einspritzdüse, welches in funktionaler Abhängigkeit zu den geometrischen Parametern steht.The Target function can be formulated so that multiple target sizes with own weighting in it are united. It is then called a quality function. The target sizes correspond the mathematically detectable concrete requirements, such as a to be minimized blind hole volume in the injection nozzle, which in functional dependence stands for the geometric parameters.

Es hat sich herausgestellt, dass dieser Optimierungsalgorithmus sehr schnell und zielführend und daher sehr effektiv ist.It has been found that this optimization algorithm very fast and effective and therefore very effective.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Particle Swarm Optimization auf nahezu beliebige und selbst auf unstetige Funktionen angewendet werden kann, da sie keine Ableitungen verwendet. Sie ist also sehr robust.One Another advantage is that the Particle Swarm Optimization be applied to almost any and even discontinuous functions can, because it uses no derivatives. So it is very robust.

Zusammenfassend: Die PSO ist ein robustes und schnelles Optimierungsverfahren, das in der Lage ist, bei nahezu beliebigen multidimensionalen mathemati schen Funktionen das globale Optimum zu finden. Durch die Formulierung einer Gütefunktion mit gewichteten Zielgrößen kann ein multikriterieller Ansatz verfolgt werden.In summary: The PSO is a robust and fast optimization method that is capable of almost any multidimensional mathematical rule Functions to find the global optimum. By the formulation a quality function with weighted targets can a multi-criteria approach.

Der Algorithmus erfordert eine Reihe von Einstellgrößen, mit denen sein Verhalten beeinflusst werden kann. Diese werden basierend auf bisherigen Erfahrungswerten festgelegt.Of the Algorithm requires a set of setpoints that allow its behavior can be influenced. These are based on previous experience established.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert.preferred Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description. Embodiments of the invention without being limited to this to be closer to the drawing explained.

Dabei zeigt:there shows:

1: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß optimierte Einspritzdüse, d.h. Lochdüse; 1 a cross section through an inventively optimized injection nozzle, ie hole nozzle;

2: einen Querschnitt durch eine weiter erfindungsgemäß optimierte Lochdüse mit mehreren, hier zwei rundum verlaufenden Reihen von Einspritzöffnungen in der Düsenkuppe. 2 : A cross section through a further inventively optimized hole nozzle with several, here two completely extending rows of injection openings in the nozzle tip.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung einer Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, die einen Düsenkörper (1) und eine in einer Bohrung (2) des Düsenkörpers (1) entgegen einer Schließkraft axial verschiebbaren Düsennadel (3) umfasst, wobei die Düsennadel (3) an ihrer brennraumseitigen Stirnfläche eine Ventildichtfläche (4) aufweist, mit dieser sie zur Steuerung eines Durchflussquerschnitts zu mindestens einer Einspritzöffnung (5) in den Brennraum der Brennkraftmaschine mit einer Ventilsitzfläche (6) des Düsenkörpers (1) zusammenwirkt, wobei für die geometrische Gestaltung der Düse bei Verwendung einer beliebigen Auswahl unabhängiger Parameter ein mathematisches Verfahren in Form einer Particle Swarm Optimization (PSO) verwendet wird und die als optimal ermittelten Kriterien bei der konstruktiven Gestaltung der Einspritzdüse herangezogen werden.The present invention relates to a method for optimizing an injection nozzle for an internal combustion engine, which comprises a nozzle body ( 1 ) and one in a hole ( 2 ) of the nozzle body ( 1 ) against a closing force axially displaceable nozzle needle ( 3 ), wherein the nozzle needle ( 3 ) at its combustion-chamber-side end face a valve sealing surface ( 4 ) with which it is used to control a flow cross-section to at least one injection opening ( 5 ) in the combustion chamber of the internal combustion engine with a valve seat surface ( 6 ) of the nozzle body ( 1 ), wherein a mathematical method in the form of Particle Swarm Optimization (PSO) is used for the geometric design of the nozzle using any selection of independent parameters and are used as optimal criteria in the design of the injection nozzle.

In besonders bevorzugter Weise umfasst die beschriebene Optimierung mit der PSO die Schritte:

  • – Festlegung der vorgegebenen Randbedingungen (Düsentyp und -größe) für die geometrische Gestaltung, wie z. Bsp., erforderlicher Düsendurchfluss und Druckstufe der Düse
  • – Erfassung der technischen Anforderungen (zu optimierende Größen) in Form von Zielgrößen einer Zielfunktion f(x) in Abhängigkeit einer beliebigen Anzahl unabhängiger Parameter, wie z. Bsp. maximaler Druck in der Bohrung des Düsenkörpers (Sackloch), Volumen des Sacklochs oder minimaler Düsennadelsitzwinkel,
  • – Ableitung der unabhängigen Parameter (Freiheitsgrade) der technischen Anforderungen aus der Definition der Zielgrößen, wie z. Bsp. Düsennadelsitzwinkel, unterer Düsennadelsitzdurchmesser, Düsenspitzenwinkel, Spritzwinkel oder Düsennadelhub
  • – Festlegung der Parametergrenzen in Form von vorgegebenen Wertebereichen,
  • – mathematische Gewichtung der Zielgrößen der technischen Anforderungen in der Gütefunktion.
Most preferably, the described optimization with the PSO comprises the steps:
  • - Specification of the given boundary conditions (nozzle type and size) for the geometric design, such. Ex., Required nozzle flow and pressure level of the nozzle
  • - Recording of the technical requirements (variables to be optimized) in the form of target values of an objective function f (x) depending on any number of independent parameters, such. Ex. Maximum pressure in the bore of the nozzle body (blind hole), volume of the blind hole or minimum nozzle needle seat angle,
  • - Derivation of the independent parameters (degrees of freedom) of the technical requirements from the definition of the target variables, such. For example, nozzle needle seat angle, lower nozzle needle seat diameter, nozzle tip angle, spray angle or nozzle needle stroke
  • - definition of the parameter limits in the form of predetermined value ranges,
  • Mathematical weighting of the target quantities of technical requirements in the quality function.

Die Gütefunktion resultiert aus der mathematischen Formulierung der Anforderungen aus Geometrie, Hydraulik, Mechanik, usw.The quality function results from the mathematical formulation of the requirements from geometry, hydraulics, mechanics, etc.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt 1, bei dem die zu optimierende Einspritzdüse eine Lochdüse ist, mit einer entgegen einer Schließkraft axial verschiebbar in einer Sacklochbohrung (2) eines Düsenkörpers (1) geführten Düsennadel (3), die an ihrem brennraumseitigen Ende eine konische Ventildichtfläche (4) aufweist, mit der sie mit einer konischen Ventilsitzfläche (6) am nach innen kragenden geschlossenen Ende der Sacklochbohrung (2) zusammenwirkt und mit einer die Sacklochbohrung (2) zum Brennraum abschließende Düsenkuppe (7), von der mehrere Einspritzöffnungen (5) in den Brennraum der Brennkraftmaschine abführen.A first embodiment of a method according to the invention shows 1 in which the injection nozzle to be optimized is a hole nozzle, with one against a closing force axially displaceable in a blind hole ( 2 ) of a nozzle body ( 1 ) guided nozzle needle ( 3 ), which at its combustion chamber end, a conical valve sealing surface ( 4 ), with which it has a conical valve seat surface ( 6 ) at the inwardly cantilevered closed end of the blind bore ( 2 ) and with a blind hole ( 2 ) to the combustion chamber final nozzle tip ( 7 ), from which several injection openings ( 5 ) into the combustion chamber of the internal combustion engine.

Es soll gemäß 1 und 2 verdeutlicht werden,
dass als vorgegebene Randbedingungen solche angegeben werden, die den Düsentyp, deren Größe und weitere anwendungsbezogene Restriktionen beschreiben und frei vorgebbar sind,
dass als technische Anforderungen zumindest eine, mehrere oder alle der Größen a) der maximale Druck in der Sacklochbohrung (daraus resultiert eine optimale Gemischbildung), b) ein minimales Sacklochvolumen (daraus resultiert eine Reduktion von Ruß- und HC-Emissionen, sowie des Verbrauchs), c) eine minimale Stegbreite zwischen den Düsenlöchern (5) (wegen der erforderlichen Festigkeit), d) ein minimaler Düsennadelsitzwinkel (wegen Verschleiß des Düsennadelsitzes) und e) eine möglichst tiefe Lage der Einspritzöffnungen (5) im Sackloch (2) (wegen der hydrodynamischen Anforderungen) erfasst wird,
dass als unabhängige Parameter zumindest eine, mehrere oder alle der Größen a) Sitzwinkel (σ) der Düsennadel (3), b) Düsennadelspitzenwinkel (α), c) Nadelhub (h), d) Düsenlochdurchmesser (DL), e) Sacklochdurchmesser (DE), f) unterer Nadelsitzdurchmesser (DA), g) Sacklochwinkel (ε), h) der Spritzwinkel (κ), i) der Abspritzpunkt der Einspritzöffnungen (hSP), k) die Sacklochhöhe (hS) l) die Düsenlochanzahl (n) und m) der Düsenlochdurchmesser (DL) aufgestellt wird,
dass die festgelegten Parametergrenzen Wertebereiche oder diskrete Werte umfassen und
dass alle technischen Anforderungen (siehe oben) normiert in eine Gütefunktion aufgenommen werden sowie zumindest eine der Bedingungen, dass a) ein minimaler Abstand zwischen der Düsennadelspitze und dem Lochgrund der Sacklochbohrung (2) nicht unterschritten werden darf, dass b) eine minimale Breite des Düsennadelsitzes nicht unterschritten werden darf, dass c) eine minimale Stegbreite zwischen den Düsenlöchern (5) nicht unterschritten werden darf, dass d) der Strömungsquerschnitt am Sacklocheinlauf bei maximalem Düsennadelhub größer sein muss als der an der unteren Düsennadelsitzkante, dass e) die Differenz aus halbem Sitzwinkel (σ/2) und Sacklochwinkel (ε) einen festzulegenden Wert nicht unterschreiten darf, dass f) der Sacklochwinkel (ε) kleiner sein muss als der halbe Düsennadelspitzenwinkel (α/2), dass g) der Abstand der oberen Kante der Düsenlöcher innerhalb des Sacklochs zur Sacklocheinlaufkante einen festzulegenden Wert nicht unterschreiten darf, dass h) der Düsennadelspitzenwinkel (α) größer oder gleich dem Sitzwinkel (σ) sein muss und dass i) der Nadelsitzdurchmesser (DA) größer oder gleich dem Sacklochdurchmesser (DE) sein muss umfasst.It should according to 1 and 2 be clarified
that given boundary conditions are those which describe the nozzle type, its size and other application-related restrictions and are freely definable,
that as technical requirements at least one, several or all of the sizes a) the maximum pressure in the blind hole (resulting in an optimal mixture formation), b) a minimum blind hole volume (resulting in a reduction of soot and HC emissions, and consumption) , c) a minimum web width between the nozzle holes ( 5 ) (due to the required strength), d) a minimum nozzle needle seat angle (due to wear of the nozzle needle seat) and e) the lowest possible position of the injection openings (FIG. 5 ) in the blind hole ( 2 ) (due to hydrodynamic requirements),
that as independent parameters at least one, several or all of the variables a) seat angle (σ) of the nozzle needle ( 3 b) nozzle needle tip angle (α), c) needle stroke (h), d) nozzle hole diameter (DL), e) blind hole diameter (DE), f) lower needle seat diameter (DA), g) blind hole angle (ε), h) the spray angle ( k), the blind hole height (hS) l) the nozzle hole number (n) and m) the nozzle hole diameter (DL) is set up, k) the injection point of the injection openings (hSP),
the specified parameter limits comprise value ranges or discrete values, and
that all technical requirements (see above) are normalized in a quality function and at least one of the conditions that a) a minimum distance between the nozzle needle tip and the hole bottom of the blind hole ( 2 ) must not be fallen below that b) a minimum width of the nozzle needle seat must not be fallen below that c) a minimum web width between the nozzle holes ( 5 ) must not be fallen below that d) the flow cross-section at the blind hole at maximum nozzle needle must be greater than that at the lower nozzle needle seat edge that e) the difference between half seat angle (σ / 2) and blind hole angle (ε) must not fall below a fixed value in that f) the blind hole angle (ε) must be smaller than half the nozzle needle tip angle (α / 2) that g) the distance of the upper edge of the nozzle holes within the blind hole to the blind hole leading edge must not fall below a value to be determined that h) the nozzle needle tip angle ( α) must be greater than or equal to the seat angle (σ) and that i) the needle seat diameter (DA) must be greater than or equal to the blind hole diameter (DE).

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet also eine Minimierung der Gütefunktion durch einen mathematischen Optimierungsalgorithmus mit gleichzeitiger Ableitung der optimalen Parameter der Einspritzdüse.The inventive method So there is a minimization of the quality function by a mathematical Optimization algorithm with simultaneous derivation of the optimal Parameters of the injector.

Die dergestellten Ausführungsbeispiele, die erfindungsgemäß optimiert wurden, zeigen beispielhaft in 1 eine Lochdüse mit einer Lochreihe und in 2 eine Lochdüse mit zwei Lochreihen, mit optimierten Parametern in Form von
einem Düsennadelsitzwinkel σ von ca. 84°,
einem Düsennadelspitzenwinkel α von ca. 100°,
einem Düsennadelhub h von ca. 0,5 mm,
einem Düsenlochdurchmesser DL von ca. 0,4 mm,
einem Sacklochdurchmesser DE von ca. 3 mm,
einem unteren Nadelsitzdurchmesser DA von ca. 3,5 mm,
einem Sacklochwinkel bezogen auf die Düsennadelachse ε von 0°,
einem Spritzwinkel κ von ca. 75°,
einer Sacklochhöhe hS von ca. 0.3 mm,
einem Abspritzpunkt hSP von ca. 0,1 mm und
einer Düsenlochanzahl n = 13.The exemplary embodiments which have been optimized according to the invention are shown by way of example in FIG 1 a hole nozzle with a row of holes and in 2 a hole nozzle with two rows of holes, with optimized parameters in the form of
a nozzle needle seat angle σ of about 84 °,
a nozzle needle tip angle α of about 100 °,
a nozzle needle stroke h of about 0.5 mm,
a nozzle hole diameter DL of about 0.4 mm,
a blind hole diameter DE of about 3 mm,
a lower needle seat diameter DA of about 3.5 mm,
a blind hole angle with respect to the nozzle needle axis ε of 0 °,
a spray angle κ of about 75 °,
a blind hole hS of about 0.3 mm,
a Abspritzpunkt hSP of about 0.1 mm and
a nozzle hole number n = 13.

Entsprechend der vorgenommenen Wichtung der technischen Anforderungen konnten mittels der optimierten Düse folgende Verbesserungen bezüglich bisheriger Düsen erzielt werden: Der Sacklochdruck ist um ca. 10% erhöht, das Sacklochvolumen konnte um ca. 60% und die Stegbreite um ca. 7% reduziert werden.Corresponding the weighting of the technical requirements by means of the optimized nozzle following improvements regarding previous nozzles be achieved: The blind hole pressure is increased by about 10%, the Blind hole volume could be reduced by about 60% and the web width by about 7% become.

Die so entwickelte Einspritzdüse stellt bezogen auf die formulierten Anforderungen ein Optimum der bezüglich der technischen Anforderungen oft gegenläufigen Parameter dar. Damit wird sichergestellt, dass sich die mit der dargestellten Einspritzdüse ausgerüstete Brennkraftmaschine durch minimale Schadstoffemissionen, geringen Verschleiß sowie minimalen Kraftstoffverbrauch auszeichnet. Gleichzeitig ist der Entwicklungsprozess der dargestellten Einspritzdüsen zielgerichteter und damit schneller und sicherer.The so developed injector Based on the formulated requirements an optimum of the in terms of technical requirements often contradictory parameters. Thus it is ensured that the equipped with the illustrated injector internal combustion engine through minimal pollutant emissions, low wear and minimal Fuel consumption distinguishes. At the same time is the development process the illustrated injectors more targeted and thus faster and safer.

Das dargestellte Optimierungsverfahren ist allgemein für alle mathematisch determinierten hochdimensionalen Optimierungsaufgaben geeignet.The The optimization method illustrated is generally mathematical for all determined high-dimensional optimization tasks suitable.

11
Düsenkörpernozzle body
22
Bohrung (Sacklochbohrung)drilling (Blind hole)
33
Düsennadelnozzle needle
44
VentildichtflächeValve sealing surface
55
Einspritzöffnung (Düsenloch)Injection port (nozzle hole)
66
VentilsitzflächeValve seat
77
Düsenkuppeinjector cap
DLDL
DüsenlochdurchmesserNozzle hole diameter
DEDE
SacklochdurchmesserBlind hole diameter
DATHERE
unterer Nadelsitzdurchmesserlower Needle seat diameter
κκ
Spritzwinkelspray angle
hH
Düsennadelhubneedle lift
σσ
Sitzwinkelseat angle
αα
DüsennadelspitzenwinkelNozzle needle tip angle
εε
Sacklochwinkel (Bezüglich der Einspritzdüsenachse)Blind angle (In terms of the injector axis)
hShS
SacklochhöheBlind height
hSPhSP
Abspritzpunktspray point
nn
DüsenlochanzahlNozzle hole number

Claims (4)

Verfahren zur Optimierung einer Einspritzdüse für eine Brennkraftmaschine, die einen Düsenkörper (1) und eine in einer Bohrung (2) des Düsenkörpers (1) entgegen einer Schließkraft axial verschiebbare Düsennadel (3) umfasst, wobei die Düsennadel (3) an ihrer brennraumseitigen Stirnfläche eine Ventildichtfläche (4) aufweist, mit dieser sie zur Steuerung eines Durchflussquerschnitts zu mindestens einer Einspritzöffnung (5) in den Brennraum der Brennkraftmaschine mit einer Ventilsitzfläche (6) des Düsenkörpers (1) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass für die geometrische Gestaltung der Einspritzdüse bei Verwendung einer beliebigen Auswahl unabhängiger Parameter ein mathematisches Verfahren in Form einer Particle Swarm Optimization (PSO) verwendet wird und die als optimal ermittelten Kriterien bei der konstruktiven Gestaltung der Einspritzdüse herangezogen werden.Method for optimizing an injection nozzle for an internal combustion engine, comprising a nozzle body ( 1 ) and one in a hole ( 2 ) of the nozzle body ( 1 ) against a closing force axially displaceable nozzle needle ( 3 ), wherein the nozzle needle ( 3 ) at its combustion-chamber-side end face a valve sealing surface ( 4 ) with which it is used to control a flow cross-section to at least one injection opening ( 5 ) in the combustion chamber of the internal combustion engine with a valve seat surface ( 6 ) of the nozzle body ( 1 ) cooperates, characterized in that for the geometric design of the injection nozzle using any selection of independent parameters, a mathematical method in the form of Particle Swarm Optimization (PSO) is used and are used as optimally determined criteria in the design of the injection nozzle. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PSO die Schritte – Festlegung der vorgegebenen Randbedingungen (Düsentyp und -größe) für die geometrische Gestaltung, wie z. Bsp., erforderlicher Düsendurchfluss und Druckstufe der Düse – Erfassung der technischen Anforderungen (zu optimierende Größen) in Form von Zielgrößen einer Zielfunktion f(x) in Abhängigkeit einer beliebigen Anzahl unabhängiger Parameter, wie z. Bsp. maximaler Druck in der Bohrung des Düsenkörpers (Sackloch), Volumen des Sacklochs oder minimaler Düsennadelsitzwinkel, – Ableitung der unabhängigen Parameter (Freiheitsgrade) der technischen Anforderungen aus der Definition der Zielgrößen, wie z. Bsp. Düsennadelsitzwinkel, unterer Düsennadelsitzdurchmesser, Düsenspitzenwinkel, Spritzwinkel oder Düsennadelhub – Festlegung der Parametergrenzen in Form von vorgegebenen Wertebereichen, – mathematische Gewichtung der Zielgrößen der technischen Anforderungen in der Gütefunktion umfasst.Method according to claim 1, characterized in that that the PSO steps - Determination the given boundary conditions (nozzle type and size) for the geometric Design, such. Ex., Required nozzle flow and pressure level the nozzle - Capture technical requirements (variables to be optimized) in Form of Goals of a Target function f (x) depending on any number of independent ones Parameters, such. Ex. Maximum pressure in the bore of the nozzle body (blind hole), volume the blind hole or minimum nozzle needle seat angle, - derivation the independent one Parameters (degrees of freedom) of the technical requirements from the Definition of the goals, how z. Eg nozzle needle seat angle, lower nozzle needle seat diameter, Nozzle tip angle Spray angle or nozzle needle stroke - Determination the parameter limits in the form of predetermined value ranges, - mathematical Weighting of the target values of the technical Requirements in the quality function includes. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu optimierende Einspritzdüse eine Lochdüse ist, mit einer entgegen einer Schließkraft axial verschiebbar in einer Sacklochbohrung (2) eines Düsenkörpers (1) geführten Düsennadel (3), die an ihrem brennraumseitigen Ende eine konische Ventildichtfläche (4) aufweist, mit der sie mit einer konischen Ventilsitzfläche (6) am nach innen kragenden geschlossenen Ende der Sacklochbohrung (2) zusammenwirkt und mit einer die Sacklochbohrung (2) zum Brennraum abschließende Düsenkuppe (7), von der mehrere Einspritzöffnungen (5) in den Brennraum der Brennkraftmaschine abführen.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the injector to be optimized is a hole nozzle, with a counter to a closing force axially displaceable in a blind hole ( 2 ) of a nozzle body ( 1 ) guided nozzle needle ( 3 ), which at its combustion chamber end, a conical valve sealing surface ( 4 ), with which it has a conical valve seat surface ( 6 ) at the inwardly cantilevered closed end of the blind bore ( 2 ) and with a blind hole ( 2 ) to the combustion chamber final nozzle tip ( 7 ), from which several injection openings ( 5 ) into the combustion chamber of the internal combustion engine. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgegebene Randbedingungen solche angegeben werden, die den Düsentyp, deren Größe und weitere anwendungsbezogene Restriktionen beschreiben und frei vorgebbar sind, als technische Anforderungen zumindest eine, mehrere oder alle der Größen a) der maximale Druck in der Sacklochbohrung (daraus resultiert eine optimale Gemischbildung), b) ein minimales Sacklochvolumen (daraus resultiert eine Reduktion von Ruß- und HC-Emissionen, sowie des Verbrauchs), c) eine minimale Stegbreite zwischen den Düsenlöchern (5) (wegen der erforderlichen Festigkeit), d) ein minimaler Düsennadelsitzwinkel (wegen Verschleiß vom Düsennadelsitz) und e) eine möglichst tiefe Lage der Einspritzöffnungen (5) im Sackloch (2) (wegen der hydrodynamischen Anforderungen) erfasst wird, als unabhängige Parameter zumindest eine, mehrere oder alle der Größen a) Sitzwinkel (σ) der Düsennadel (3), b) Düsennadelspitzenwinkel (α), c) Nadelhub (h), d) Düsenlochdurchmesser (DL), e) Sacklochdurchmesser (DE), f) unterer Nadelsitzdurchmesser (DA), g) Sacklochwinkel (ε), h) der Spritzwinkel (κ), i) der Abspritzpunkt der Einspritzöffnungen (hSP), k) die Sacklochhöhe (hS) l) die Düsenlochanzahl (n) und m) der Düsenlochdurchmesser (DL) aufgestellt wird, die festgelegten Parametergrenzen Wertebereiche oder diskrete Werte umfassen, und alle technischen Anforderungen (siehe oben) normiert in eine Gütefunktion aufgenommen werden sowie zumindest eine der Bedingungen, dass a) ein minimaler Abstand zwischen der Düsennadelspitze und dem Lochgrund der Sacklochbohrung (2) nicht unterschritten werden darf, dass b) eine minimale Breite des Düsennadelsitzes nicht unterschritten werden darf, dass c) eine minimale Stegbreite zwischen den Düsenlöchern (5) nicht unterschritten werden darf, dass d) der Strömungsquerschnitt am Sacklocheinlauf bei maximalem Düsennadelhub größer sein muss als der an der unteren Düsennadelsitzkante, dass e) die Differenz aus halbem Sitzwinkel (σ/2) und Sacklochwinkel (ε) einen festzulegenden Wert nicht unterschreitet, dass f) der Sacklochwinkel (ε) kleiner sein muss als der halbe Düsennadelspitzenwinkel (α/2), dass g) der Abstand der oberen Kante der Düsenlöcher innerhalb des Sacklochs zur Sacklocheinlaufkante einen festzulegenden Wert nicht unterschreitet, dass h) der Düsennadelspitzenwinkel (α) größer oder gleich dem Sitzwinkel (σ) sein muss und dass i) der Nadelsitzdurchmesser (DA) größer oder gleich dem Sacklochdurchmesser (DE) sein muss umfasst.A method according to claim 3, characterized in that as predetermined boundary conditions are specified which describe the nozzle type, their size and other application-related restrictions and are freely definable, as technical requirements at least one, several or all of the variables a) the maximum pressure in the Blind hole (resulting in an optimal mixture formation), b) a minimum blind hole volume (resulting in a reduction of soot and HC emissions, and consumption), c) a minimum web width between the nozzle holes ( 5 ) (due to the required strength), d) a minimum nozzle needle seat angle (due to wear of the nozzle needle seat) and e) the lowest possible position of the injection openings ( 5 ) in the blind hole ( 2 ) (because of the hydrodynamic requirements) is detected, as independent parameters at least one, several or all of the sizes a) seat angle (σ) of the nozzle needle ( 3 b) nozzle needle tip angle (α), c) needle stroke (h), d) nozzle hole diameter (DL), e) blind hole diameter (DE), f) lower needle seat diameter (DA), g) blind hole angle (ε), h) the spray angle ( k) the blind hole height (hS) l) the nozzle hole number (n) and m) the nozzle hole diameter (DL) is set up, the specified parameter limits comprise value ranges or discrete values, and all technical Requirements (see above) normalized to be included in a quality function and at least one of the conditions that a) a minimum distance between the nozzle needle tip and the hole bottom of the blind hole ( 2 ) not under may be made that b) a minimum width of the nozzle needle seat must not be fallen below that c) a minimum web width between the nozzle holes ( 5 ) must not be fallen below that d) the flow cross-section at the blind hole at maximum Düsennadelhub must be greater than that at the lower nozzle needle seat edge that e) the difference between half seat angle (σ / 2) and blind hole angle (ε) does not fall below a fixed value, that f) the blind hole angle (ε) must be smaller than half the nozzle needle tip angle (α / 2) that g) the distance of the upper edge of the nozzle holes within the blind hole to the blind hole leading edge does not fall below a specified value that h) the nozzle needle tip angle (α) must be greater than or equal to the seat angle (σ) and that i) the needle seat diameter (DA) must be greater than or equal to the blind hole diameter (DE).
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