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Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für die Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor, der üblicher Weise in jedem seiner Zylinder einen Brennraum mit einem Brennraumdach und mindestens ein Einlassventil auf einer Einlassseite und mindestens ein Auslassventil auf einer Auslassseite des Brennraums aufweist. Die Einspritzdüse ist mit einem in den Brennraum hineinragenden Abschnitt ausgestattet, in dem Düsenlöcher mit je mindestens einem Kraftstoffkanal zum Einleiten des Kraftstoffs in den Brennraum ausgebildet sind. Der in den Brennraum hineinragende Abschnitt der Einspritzdüsen ist derart ausgebildet, dass er sich zu einem abspritzseitigen Ende hin verjüngt, welches das in den Brennraum hineinragende Ende der Einspritzdüse ist. Bei vielen Verbrennungsmotoren sind insgesamt zwei oder vier Ventile vorgesehen, meist mit je einem oder je zwei Einlass- und Auslassventilen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Ventilanzahl beschränkt.
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Aus der
DE 103 12 429 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das einen in den Brennraum ragenden, für die Einspritzung des Kraftstoffs vorgesehenen Abschnitt aufweist, welcher sich in Strömungsrichtung des Kraftstoffs in dem Einspritzventil mit einer vom rechten Winkel zur Mittelachse des Brennstoffeinspritzventils deutlich abweichenden Neigung verjüngt. An diesen Abschnitt anschließend ist ein weiterer Abschnitt vorgesehen, der sphärisch ausgebildet ist. Eine Anzahl von Düsenlöchern ist konzentrisch um die Mittelachse des Brennstoffeinspritzventils in diesem sphärischen Abschnitt angeordnet. Die Grundfläche des sich verjüngenden Abschnittes ist kegelstumpfförmig. Eine ähnliche Grundflächenform findet sich in der
DE 10 2004 032 818 A1 .
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Eine aus der
FR 1 489 290 A bekannte Einspritzdüse besitzt dagegen einen pyramidenförmig verjüngten Abschnitt mit entsprechender Grundfläche.
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Die
DE 43 54 004 A1 offenbart eine Mehrlocheinspritzdüse für Verbrennungskraftmaschinen mit mindestens zwei Kraftstoffstrahlen, welche derart in den Brennraum eingespritzt werden, dass diese aufeinandertreffen und sich eine bessere Kraftstoffverteilung innerhalb des Brennraums bildet.
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Die
DE 103 49 778 A1 beschriebt ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem Düsenkörper, einer axial verlagerbaren Düsennadel und mehreren Spritzlochkanälen, welche derart angeordnet sind, das eine fiktive Verlängerung ihrer jeweiligen Mittellängenachsen außerhalb der Kontur der Mittellängsachse der Düsennadel verläuft.
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Die
FR 2 889 258 A3 offenbart eine Einspritzdüse, welche einen halbkugelförmigen sich verjüngenden Abschnitt mit kreisförmiger Grundfläche aufweist. Unterhalb dieser Grundfläche sind Aussparungen vorgesehen, welche die Austrittsöffnungen der Kraftstoffkanäle einfassen, sodass die Länge der Kraftstoffkanäle verringert wird ohne die mechanische Stabilität der Einspritzdüse zu verringern.
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Grundsätzlich haben sich verjüngende Abschnitte bei Kraftstoffeinspritzdüsen einen positiven Einfluss auf die Ausbildung der Kraftstoffwolke hinsichtlich ihrer räumlichen Ausbreitung und Verteilung im Brennraum, wodurch die Kraftstoffwolke für die Verbrennung vorbereitet wird. Üblicher Weise ist eine Einspritzdüse gleichförmig aufgebaut, d.h. die Düsenöffnungen und Einspritzkanäle sind in vergleichbarer Geometrie und Form angeordnet. Bei derartigen Einspritzdüsen ist es jedoch möglich, dass der Kraftstoff nicht gleichmäßig verbrannt wird, was einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß zur Folge hat.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einspritzdüse vorzuschlagen, die eine effektivere Verteilung des Kraftstoffs ermöglicht und im Hinblick auf eine effizientere Verbrennung für eine gleichmäßige Ausbildung der Kraftstoffwolke sorgt.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einspritzdüse der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 insbesondere dadurch gelöst, dass die Grundfläche des sich verjüngenden Abschnittes sternförmig ausgebildet ist. Durch diese Grundform erhält die Einspritzdüse Abschnitte, deren Oberfläche eckig in das Innere der Einspritzdüse hineinragt und eine gleichmäßige, bspw. pyramiden- oder kegelförmige Mantelfläche durchbricht. Während bei gattungsgemäßen Einspritzdüsen die Grundfläche so ausgebildet ist, dass die Innenwinkel der Grundfläche nicht über 180° liegen können, ist das bei einer sternförmigen Grundfläche durchaus der Fall, wobei vorzugsweise ein großer Innen- bzw. Außenwinkel (>180°) neben einem kleinen Innen- bzw. Außenwinkel (<180°) angeordnet ist. Die sternförmige Grundfläche kann erfindungsgemäß einen regelmäßigen Stern mit gleichlangen Seiten und nur zwei unterschiedlichen Innenwinkeln bilden. Durch einen derartigen Aufbau erhält der sich verjüngende Abschnitt der Einspritzdüse eine Grundform mit sich nach außen bzw. nach innen erstreckenden Ecken, Kanten und Flächen. Während der Kraftstoff durch die in der Einspritzdüse ausgebildeten Kraftstoffkanäle in den Brennraum eingespritzt wird, indem er strahlenförmig aus den Kraftstoffkanälen austritt, haben die Ecken, Flächen und Kanten des sich verjüngenden Abschnittes unmittelbar nach dem Austritt des Kraftstoffs aus den Kraftstoffkanälen einen homogenisierenden Einfluss auf die Kraftstoffwolke hinsichtlich ihrer räumlichen Ausbreitung und Verteilung im Brennraum. Durch gezielte Winkeleinstellung der sternförmigen Grundfläche kann die Ausbildung der Kraftstoffwolke gezielt beeinflusst werden. Insbesondere die Spitzen der Sternform, die sich nach außen erstrecken, werden dazu genutzt, die Ausbreitung der Kraftstoffwolke gezielt zu beeinflussen und ihre Ausbildung effektiv zu stabilisieren. Dadurch erhält die eingespritzte Kraftstoffwolke insgesamt einen homogenen Aufbau, der optimal an den jeweiligen Brennraum angepasst werden kann.
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Es hat sich gezeigt, dass eine sich verjüngende Einspritzdüse mit sternförmiger Grundfläche einen besonders positiven Effekt auf die Verwirbelung der komprimierten Frischladung in der Nähe der Düsenlöcher ausübt, so dass eine besonders homogene Verteilung des Kraftstoffs erreicht wird und damit eine gleichmäßigere Gemischaufbereitung stattfindet. Insgesamt ergeben sich eine gleichmäßigere und vollständigere Verbrennung und somit weniger Schadstoffausstoß und ein geringerer Kraftstoffverbrauch.
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Die Ausbildung der Sternform wird dabei erfindungsgemäß nicht auf die Grundfläche beschränkt, sondern der sich verjüngende Abschnitt wird derart ausgebildet, dass diese Grundflächenform in Richtung zum Spritzende der Einspritzdüse hin, beibehalten wird, wobei sich die Größe der Grundfläche entlang der Längsachse des sich verjüngende Abschnitt entsprechend verkleinert.
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Der erfindungsgemäße sternförmige Aufbau bietet auf technisch einfach realisierbare Weise die Möglichkeit, bei den einzelnen Düsenlöchern unterschiedlich lange Kraftstoffkanäle zu erzeugen. Durch Variation der Länge einzelner Kraftstoffkanäle wird ein Effekt ähnlich einer Voreinspritzung erzielt. Befindet sich das Düsenloch auf oder in der Nähe einer in das Innere des sich verjüngenden Abschnittes ragenden Ecke, so ist der Kraftstoffkanal kürzer als im Bereich einer nach außen ragenden Ecke. Aufgrund des längeren Wegs des Kraftstoffs bis zum Austrittspunkt in den Brennraum tritt dieser geringfügig später aus als der durch kürzere Kraftstoffkanäle austretende Kraftstoff. Hierdurch wird also ein einer Voreinspritzung ähnlicher Effekt erzielt, so dass in gewissen Grenzen auf aufwendige elektronische Aktuatoren im Einspritzsystem (Piezotechnik) verzichtet werden kann. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Einspritzdüsen kann diese Technik auch in älteren Motoren ohne elektronische Einspritzsysteme nachgerüstet werden. Ein erster Teil des Kraftstoffes erreicht in einer ersten Phase den Brennraum, während der Hauptanteil des Kraftstoffes für die eigentliche Verbrennung als Haupteinspritzung zeitverzögert in den Brennraum eintritt. Dadurch wird die Temperatur im Brennraum vor der Haupteinspritzung erhöht und der Zündverzug für den Kraftstoff der Haupteinspritzung reduziert sich. Der Anstieg des Verbrennungsdrucks, das Geräuschniveau des Motors und die Bildung von Stickoxiden während der Verbrennung werden vermindert.
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In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens kann auch vorgesehen sein, dass der sich verjüngende Abschnitt Kanten aufweist, die sich ausgehend von den Ecken der sternförmig ausgebildeten Grundfläche zum abspritzseitigen Ende hin erstrecken. Diese Kanten sind vorzugsweise derart zueinander angeordnet, dass sich die Kanten oder zumindest die Verlängerungen dieser Kanten in einem Punkt treffen. Damit ähnelt der Aufbau des sich verjüngenden Abschnittes der Einspritzdüse einer sternförmigen Pyramide oder zumindest einem sternförmigen Pyramidenstumpf. Infolge des erfindungsgemäß sternförmigen Aufbaus weist der sich verjüngende Abschnitt eine große Anzahl von Ecken, Kanten und großen Seitenflächen auf. Dies unterstützt die eigentliche Verbrennung in positiver Weise, weil insbesondere die richtenden Eigenschaften des sich verjüngenden Abschnittes unterstützt und ausgenutzt werden. Darüber hinaus ist eine derartige Form auch einfach herzustellen. Beispielsweise kann der Winkel zwischen den sich zum Ende der Düse erstreckenden Kanten in Bezug auf die Grundfläche bei etwa 49° bzw. in einem Winkelbereich zwischen etwa 45° und 55° liegen. Es hat sich herausgestellt, dass mit einer derartigen Winkelverteilung in einer Vielzahl von Brennräumen eine besonders homogene Verteilung des Kraftstoffgemisches erreicht werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Winkelverteilung beschränkt.
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Um die Art des Austritts des Kraftstoffs aus der Einspritzdüse auf einfache Weise zu beeinflussen, können die Seiten- bzw. Außenflächen des sich verjüngenden Abschnitts verschiedene Größen aufweisen. Hierdurch lässt sich die Variation der Austrittsgeschwindigkeit des Kraftstoffes beim Durchfließen der Kraftstoffkanäle gezielt einstellen, wodurch die Anhäufung von gleichzeitig eingespritztem Kraftstoff reduziert werden kann. Ferner wird auch die Kraftstoffwolke zeitlich homogen im Brennraum verteilt. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die sternförmige Grundfläche je nach Motor- bzw. Brennraumbauweise als ein unregelmäßiges sternförmiges Polygon auszubilden. Die damit verbundenen ungleich großen Winkel und Seiten können der gezielten Kraftstoffeinspritzung dienen.
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Erfindungsgemäß kann der sich verjüngende Abschnitt an seinem in Spritzrichtung gelegenen, d.h. abspritzseitigen Ende abgerundet ausgebildet sein. Damit läuft z.B. eine sternförmige Pyramide nicht spitz zu, sondern endet in einem abgerundeten Abschnitt, welcher einen beruhigenden Einfluss auf die Kraftstoffwolke unmittelbar im Bereich der Düsenspitze hat. In Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, dass der sich verjüngende Abschnitt an seinem Ende parabelförmig oder zumindest halbkugelförmig abgerundet ist, weil diese Formen besonders effektiv zur homogenen Verteilung des Kraftstoffes beitragen.
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Wenn die Einspritzdüse auf ihrer den Einlassventilen zugewandten Seite (d.h. der Einlassseite) und auf ihrer den Auslassventilen zugewandten Seite (d.h. der Auslassseite) eine unterschiedliche Anzahl von Düsenlöchern aufweist, kann gezielt eine größere Menge Kraftstoff auf eine Seite des Brennraums geleitet werden. Durch das höhere Temperaturniveau auf der Auslassseite kann mehr Kraftstoff verdampfen und ein homogeneres zündfähigeres Gemisch bilden, welches vollständig verbrennt. Die Aufteilung des Brennraums in eine Einlassseite und eine Auslassseite kann bspw. durch eine senkrechte Ebene definiert werden, die den Mittelpunkt einer Geraden durch die Ventilmittelpunkte jeweils eines Einlass- und eines Auslassventils schneidet und den Brennraum bezüglich sämtlicher Einlass- und Auslassventile vorzugsweise symmetrisch aufteilt.
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Eine weitere Ausführungsform sieht eine ungerade Anzahl von Düsenlöchern vor, wobei bevorzugt die Einlassseite ein Düsenloch weniger als die Auslassseite aufweist. Je nach Kraftstoffart, Ventilanordnung oder Motorkonstruktion ist auch eine gerade Anzahl von Düsenlöchern mit entsprechend größerer Differenz in der Anzahl der Düsenlöcher auf der Einlass- und auf der Auslassseite möglich, um einem stärkeren Temperaturgefälle in dem Brennraum entgegenzuwirken. Bei dem Verdampfen des eingebrachten Brennstoffs kommt es zu einer Abkühlung. Bei einer symmetrischen Verteilung der Düsenlöcher würde die Verbrennungsluft also auf der Einlassseite und der Auslassseite um den gleichen Betrag abgekühlt. Dies würde dem unterschiedlichen Temperaturniveau in dem Brennraum nicht entgegenwirken. Durch eine Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge auf der Auslassseite, d.h. eine höhere Anzahl von Düsenlöchern in diesem Bereich, und einer damit relativ geringeren Kraftstoffmenge auf der Einlassseite, wird das Temperaturniveau angeglichen, weil auf der Auslassseite die Temperatur stärker sinkt als auf der Einlassseite. Dies führt dazu, dass der Kraftstoff tendenziell ein homogeneres Gemisch bildet, das in der Lage ist, innerhalb kürzerer Zeit vollständiger zu verbrennen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Achse eines Kraftstoffkanals mindestens eines Düsenlochs nicht senkrecht zu der entsprechenden Seitenfläche des sich verjüngenden Abschnitts angeordnet sein, in welcher der Austrittspunkt des Kraftstoffkanals liegt. Hierdurch kann der Sprühstrahl sehr gezielt in einzelne Bereiche des Brennraums gerichtet werden, um bei der Zündung eine homogene oder gewünscht inhomogene Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum zu erreichen.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Achsen der in die Einlassseite des Brennraums mündenden Kraftstoffkanäle einen anderen Schnittwinkel zu der durch das Brennraumdach definierten Fläche bzw. Ebene, insbesondere im Nahbereich der Einspritzdüse, aufweisen als die Achsen der in die Auslassseite des Brennraums mündenden Kraftstoffkanäle. Da Einspritzdüsen beispielsweise bei Motoren mit vier Ventilen pro Zylinder häufig senkrecht aus einem Dach des Brennraums in den Brennraum hineinragen, wird durch diese Maßnahme für die Einlassseite und die Auslassseite ein verschiedener Winkel der Einspritzstrahlen zum Brennraumdach erreicht. Dies ist vorteilhaft, weil der Brennraum im Betrieb des Motors unterschiedliche Temperaturbereiche aufweist, die hauptsächlich durch den Ladungswechsel bedingt sind. So ist der Bereich der Einlassseite in der Umgebung eines Einlassventils wegen der einströmenden kühlen Verbrennungsluft kühler als der Bereich der Auslassseite, weil an einem Auslassventil die heißen Abgase vorbei streichen. Um eine gleichmäßigere und vollständigere Verbrennung zu fördern, ist es daher vorteilhaft, dass der in den Brennraum eingespritzte Kraftstoff auf der Einlassseite näher in Richtung der Kolbenoberfläche gespritzt wird als auf der Auslassseite, wobei die in den Brennraum eingespritzten Strahlen insgesamt einen Spritzkegel ausbilden können. Herkömmlicher Weise weisen die Einspritzstrahlen jeweils den gleichen Winkel zum Brennraumdach auf, so dass die Kegelachse des Spritzkegels senkrecht zur Ebene des Brennraumdaches liegt. Erfindungsgemäß ist diese Achse aufgrund der unterschiedlichen Winkel auf der Einlass- und der Auslassseite gegenüber dieser senkrecht zur Ebene des Brennraumdachs ausgebildeten Achse dagegen ausgelenkt. Dadurch wird erreicht, dass der Kraftstoff im gesamten Brennraum in einem ähnlicheren Temperaturbereich eingebracht wird. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Entzündung und Verbrennung im gesamten Brennraum.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bilden Orthogonalprojektionen der Achsen der Kraftstoffkanäle auf die Fläche des Brennraumdachs, die beispielsweise eine zu der Längsachse der Einspritzdüse rechtwinklige Ebene sein kann, auf der Einlassseite einen maximalen Einlass-Spreizwinkel und auf der Auslassseite einen maximalen Auslass-Spreizwinkel, wobei die Achsen bzw. Düsenlöcher auf der Einlassseite und/oder auf der Auslassseite innerhalb des durch die jeweiligen maximalen Einlass- bzw. Auslass-Spreizwinkel definierten Bereichs ungleichmäßig verteilt sind. Die maximalen Spreizwinkel werden dabei jeweils durch die beiden äußersten Kraftstoffkanäle der Einlassseite bzw. der Auslassseite definiert. Diese äußersten Kraftstoffkanäle schließen somit sämtliche Kraftstoffkanäle der Einlassseite bzw. der Auslassseite ein. Durch die ungleichmäßige Verteilung innerhalb des Einlass- bzw. Auslass-Spreizwinkels kann auch einer unterschiedlichen Temperaturverteilung im Brennraum entgegengewirkt werden, weil durch Verdampfen des eingebrachten Kraftstoffs in den Brennraum der komprimierten Luft Energie entzogen wird, die dadurch abkühlt.
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Es hat sich herausgestellt, dass ein besonders guter Temperaturausgleich dann erreicht werden kann, wenn die Düsenlöcher innerhalb der Einlass- bzw. Auslass-Spreizwinkel bezogen auf eine Winkelhalbierende des jeweiligen Spreizwinkels symmetrisch angeordnet sind, da auch die Temperaturverteilung in dem Brennraum häufig einer solchen Symmetrie folgt.
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Es ist erfindungsgemäß auch möglich, die Verteilung der Kraftstoffkanäle von spezifischen Temperaturzonen innerhalb des Brennraumes abhängig zu machen. Auf diese Weise kann der Kraftstoff dem Zündverhalten entsprechend verteilt werden.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Düsenlöcher derart angeordnet sind, dass aus den Düsenlöchern austretender Kraftstoff einen Spritzkegel mit einem Öffnungswinkel zwischen etwa 145° und 165°, vorzugsweise etwa 158°, bildet. Dabei kann die Achse des Spritzkegels gegenüber einer Linie, die senkrecht zur Ebene des Brennraumdaches liegt, gekippt sein. Mit dem beschriebenen Öffnungswinkel wird der Brennraum insgesamt optimal mit eingespritztem Kraftstoff versorgt.
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Zur weiteren Optimierung der Kraftstoffverteilung kann die Austrittsfläche und/oder der Kraftstoffkanal der Düsenlöcher auch eine polygone Form besitzen. Dabei können die Seitenlinien der polygonen Form vorzugsweise als gerade Linien, konkav oder konvex ausgebildet sein, beispielsweise aus Kreisbögen mit konstantem Radius. Auch unterschiedlich lange Seitenflächen sind möglich. Im Falle des Kraftstoffkanals mit polygonem Querschnitt entsteht also ein Polyeder.
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Während eine kreisrunde Form der Düsenlöcher eine minimale Oberfläche im Verhältnis zum Volumen und einen kompakten Strahl bedeutet, verändert die polygone Form der Düsenlöcher das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des Kraftstoffstrahls und führt dazu, dass der Kraftstoffstrahl weniger kompakt aus den Düsenlöchern austritt und der Verbrennungsluft mehr Widerstand beim Ausströmen aus den Düsenlöchern bietet. Der Strahl wird an den Ecken so schneller zerfranst bzw. auseinander gerissen, wodurch ein erster Kraftstoffnebel entsteht, der ein zündfähiges Gemisch mit der Verbrennungsluft hauptsächlich in der Nähe der Einspritzdüse um den Hauptstrahl herum bildet. Der restliche Strahl tritt wie bei runden Bohrungen weiter in den Brennraum ein und vernebelt später.
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Vor allem bei konkaven Seitenflächen können sich in Kombination mit dem unter hohem Druck austretendem Kraftstoff in dem Kraftstoffkanal an den Ecken Luft- bzw. Dampfeinschlüsse aus dem verdampftem anhängigen Kraftstoff bilden, die nach Austritt aus den Löchern entspannen und dadurch den Strahl zusätzlich zerstäuben. Die Kraftstoffwolke nimmt damit einen größeren Raum ein und es entsteht ein homogeneres Gemisch. Technisch realisierbar sind derartige Formen mithilfe elektrochemischer Puls-Ätzverfahren, bspw. dem sogenannten „Elektrochemisches Fräsen“ (ECF). Hierbei ist es möglich, das Werkzeug als Negativ der gewünschten Form zu fertigen und quasi als Art Stempel auszuführen. Die Besonderheit bei diesem Verfahren liegt darin, dass das Werkzeug im Unterschied zu einem herkömmlichen Bohrer nicht rotiert, sondern mit Hilfe eines elektrisch gepulsten Stroms und definierter Spannung arbeitet. In Verbindung mit einem Elektrolyt wird das Metall des Werkstücks in einem definierten Bereich um das Werkzeug abgelöst und aus dem Arbeitsspalt gespült. Damit entsteht durch Einsenken des Werkzeugs in das Metall ein der Form des Stempels entsprechender Hohlraum. Auf diese Weise lassen sich nahezu beliebig geformte, bspw. auch eckige, Kraftstoffkanäle ausbilden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschreibenden und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
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Es zeigen:
- 1 eine Einspritzdüse gemäß einer ersten Ausführungsform in einer schematischen, teilweise geschnittenen Seitenansicht;
- 2 die Grundfläche des sich verjüngenden Abschnitt nach 1;
- 3 eine abgerundete Ausführung des Endabschnitts des sich verjüngenden Abschnitts nach einer weiteren Ausführungsform;
- 4 eine weitere abgerundete Ausführung des Endabschnitts nach einer weiteren Ausführungsform;
- 5 die Verteilung der Richtungen jeder Achse der Kraftstoffkanäle in einer Orthogonalprojektion auf eine zu der Längsachse der Einspritzdüse senkrechten Ebene mit den Einlassventilen (E) und den Auslassventilen (A) des Brennraums;
- 6 die Verteilung der Richtungen jeder Achse der Kraftstoffkanäle in einer Orthogonalprojektion auf eine zu der Längsachse der Einspritzdüse senkrechten Ebene mit den Einlassventilen (E) und den Auslassventilen (A) des Brennraums;
- 7 einen Schnitt durch die Einspritzdüse mit einer darin ausgebildeten Düsennadel gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
- 8 verschiedene polygone Querschnittsformen der Austrittsöffnungen und Kraftstoffkanäle der Düsenlöcher.
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Die in 1 dargestellte Einspritzdüse 1 für die Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor weist einen Düsenkörper 2 mit einem sich verjüngenden Abschnitt 3 auf, der in einen Brennraum 4 hineinragt. Der Brennraum 4 ist durch ein Brennraumdach 5 nach oben begrenzt, aus welchem der sich verjüngende Abschnitt 3 der Einspritzdüse 1 austritt. Die Einspritzdüse 1 erstreckt sich entlang ihrer Längsachse 6 in den Brennraum 4.
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An der Außenseite des sich verjüngenden Abschnitts 3 sind Düsenlöcher 7 angeordnet, die durch Kraftstoffkanäle 8 gespeist werden, welche wiederum über einen in dem Düsenkörper 2 abgebildeten Zufuhrkanal 9 mit Kraftstoff versorgt werden. Der Zufuhrkanal 9 fällt mit der Längsachse 6 der Einspritzdüse 1 zusammen und ist sacklochartig oder sitzlochartig ausgebildet. An ihrem anderen Ende münden die Kraftstoffkanäle 8 in Austrittspunkte 10 in den Seitenflächen 11 des sich verjüngenden Abschnitts 3. Damit kann Kraftstoff durch die Düsenlöcher 7 und ihre Kraftstoffkanäle 8 in den Brennraum 4 eingespritzt werden. Der aus den Düsenlöchern 7 gespritzte Kraftstoff formt einen Spritzkegel 12, der sich unter dem in der Seitenansicht dargestellten Öffnungswinkel 13 im Brennraum 4 ausbreitet. Der Öffnungswinkel 13 des Spritzkegels 12 liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen etwa 145° und 165°. Ein besonders vorteilhafter Wert liegt in der Größenordnung von 158°.
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Der in den Brennraum 4 hineinragende Abschnitt 3 weist eine sternförmige Grundfläche auf. In der 2 ist die sternförmige Grundfläche 14 des sich verjüngenden Abschnittes 3 dargestellt. Die Darstellung entspricht einer Betrachtung von unterhalb der in 1 dargestellten Einspritzdüse entlang der Längsachse 6 auf die Einspritzdüse 1. Deutlich wird die sternförmige Form der Grundfläche 14. Die sternförmige Form führt dazu, dass nach außen gerichtete Ecken 15 und nach innen gerichtete Ecken 16 gebildet werden, die jeweils abwechselnd angeordnet sind. Die sternförmige Form erstreckt sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel entlang des gesamten verjüngenden Abschnittes. Das bedeutet, dass selbst bei einem Schnitt entlang der Schnittlinie 17a (1) und entlang der Schnittlinie 17b jeweils eine Grundflächenform gemäß der 2 vorliegen würde. Bei der in 2 dargestellten Grundfläche handelt es sich um eine gleichmäßige Sternform mit gleich langen Seiten 18. Die sich von dem oberen Bereich des sich verjüngenden Abschnitts 3 nach unten zum Spritzende hin erstreckenden Kanten 19 sind derart ausgerichtet, dass sie in einem Abschnitt 20 an dem Ende des sich verjüngenden Abschnitts 3 in einem Punkt zusammenlaufen.
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Alternative Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich des unteren Abschnitts 20 zeigen die 3 und 4. Der in der Darstellung gemäß 1 untere Abschnitt 20, d.h. die eigentliche Spitze der Einspritzdüse 1, ist in den 3 und 4 jeweils abgerundet ausgebildet. In der 3 ist der Abschnitt 20 erfindungsgemäß ab einem Übergang 21 halbkugelförmig ausgebildet, während in der 4 der Abschnitt 20 ab dem Übergang 21 parabelförmig ausgebildet ist. Die Variante wirkt besonders beruhigend auf die Kraftstoffwolke. Die Kanten 19 sind derart zueinander ausgerichtet, dass sich die Verlängerungen der Kanten 19 wie in der 1 in einem Punkt treffen.
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Durch die sternförmige Grundflächenform des Abschnitts 3 in 1 - optional mit verschieden großen, an den jeweiligen Verbrennungsmotor angepassten Seitenflächen 11 - weisen die Kraftstoffkanäle 8 unterschiedliche Längen auf, wodurch ein Teil des Kraftstoffs verzögert aus den Austrittspunkten 10 in den Brennraum 4 eintritt. Auf diese Weise wird eine Voreinspritzung ohne Zuhilfenahme elektrischer Steuerungen erreicht. Die sternförmige Ausgestaltung des sich verjüngenden Abschnitts 3 mit den Seitenflächen 11 hat ferner einen sehr beruhigenden, aber auch richtenden Einfluss auf die Strömungsverhältnisse der aus den Austrittspunkten 10 eingespritzten Kraftstoffwolke. Diese verteilt sich homogen und gerichtet in dem Brennraum 4.
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Der Spritzkegel 12 kann dabei vorzugsweise so ausgerichtet werden, dass die (in 1 nicht dargestellte) Kegelachse des Spritzkegels 12 nicht senkrecht zur Ebene des Brennraumdachs 5 ausgerichtet ist. Durch eine Neigung des Spritzkegels 12 relativ zu einer senkrecht auf dem Brennraumdach 5 stehenden Achse bzw. dem Brennraum 4 kann die Temperaturverteilung in dem Brennraum 4 positiv beeinflusst werden.
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Dies wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Anordnung in einem Verbrennungsmotor mit je zwei Einlassventilen 22 pro Zylinder auf einer Einlassseite 23 des Brennraums 4 und je zwei Auslassventilen 24 pro Zylinder auf einer Auslassseite des Brennraums 4 und zentrischer Anordnung der Einspritzdüse 1 beschrieben, die in 5 in einer Ansicht von unten dargestellt ist. Die Einlassventile 22 und die Auslassventile 24 sind in dem Brennraumdach 5 des Zylinders angeordnet.
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Aufgrund der durch die Einlassventile 22 einströmenden Verbrennungsluft ist der Brennraum 4 auf der Einlassseite 23 deutlich kühler als auf der Auslassseite 25, auf der die heißen Abgase nach der Verbrennung durch die Auslassventile 24 ausströmen. Daher ist es sinnvoll, wenn auf der Einlassseite 23 mehr Kraftstoff in Richtung der in den Figuren nicht dargestellten, dem Brennraumdach 5 gegenüberliegenden Kolbenoberfläche gespritzt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der Spritzkegel 12 in dem Brennraum 4 geneigt ausgerichtet wird, indem die Kegelachse von der Längsachse 6 der Einspritzdüse 1 in die Auslassseite 25 des Brennraums 4 geneigt bzw. ausgelenkt wird. Der Drehpunkt liegt auf der Längsachse 6 in Höhe der Düsenlöcher 7.
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In 5 sind die Orthogonalprojektionen 26 der Richtungen jeder Achse 27 der Kraftstoffkanäle 8 der Düsenlöcher 7 auf eine zu der Längsachse 6 senkrechte Ebene, bspw. definiert durch das Brennraumdach 5, dargestellt. Die Achsen 27 zeigen die wesentliche Einspitzrichtung des aus jedem Düsenloch 7 ausgespritzten Kraftstoffs in den Brennraum 4. Der Kraftstoff wird unter einem in der Betrachtungsebene liegenden maximalen Einlass-Spreizwinkel 28a auf der Einlassseite 23 versprüht. Analog wird der Kraftstoff auf der Auslassseite 25 unter dem maximalen Auslass-Spreizwinkel 28b versprüht. Innerhalb der Spreizwinkel 28a, 28b sind die Orthogonalprojektionen 26 der einzelnen Achsen 27 jeweils asymmetrisch verteilt, wobei die Orthogonalprojektionen 26 der Achsen 27 innerhalb der Spreizwinkel 28a, 28b so angeordnet sind, dass die Orthogonalprojektionen 26 der Achsen 27 bezogen auf eine Winkelhalbierende des jeweiligen Spreizwinkels 28a, 28b jeweils symmetrisch angeordnet sind. Die eingespritzte, sich im Brennraum 4 ausbildende Kraftstoffwolke wird so effektiv in dem durch unterschiedliche Temperaturniveaus geprägten Brennraum 4 zu den einzelnen Einlassventilen 22 und Auslassventilen 24 auf der Einlassseite 23 und der Auslassseite 25 ausgerichtet.
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Die Anzahl der Düsenlöcher 7 wird ungerade gewählt und bemisst sich nach dem Bohrungsdurchmesser des Zugangskanals 9 und dem gewählten Kraftstoff. Typischer Weise kommen 7, 9 oder 13 Düsenlöcher 7 zum Einsatz.
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Charakteristisch für eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist, dass auf der Einlassseite 23 ein Düsenloch 7 weniger ausgeführt ist als auf der Auslassseite 17. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die bereits erwähnte Temperaturverteilung in dem Brennraum 4, die durch diese Anordnung einheitlicher wird. Da bei dem Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum 4 der komprimierten Luft Energie entzogen wird, führt dies zu einer lokalen Abkühlung. Diese wird ausgenutzt, indem auf der wärmeren Auslassseite 17 ein Düsenloch 7 mehr vorgesehen wird. Durch die Vereinheitlichung der Temperaturverteilung in dem gesamten Brennraum 4 wird eine gleichmäßigere Entzündung und Verbrennung ermöglicht.
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6 zeigt einen Brennraum 4 mit nur einem Einlassventil 22a auf der Einlassseite 23 und nur einem Auslassventil 24a auf der Auslassseite 25, insgesamt also einen Zweiventilmotor. Die Achsen 27a der Kraftstoffkanäle sind hier um die Einspritzdüse 1a asymmetrisch verteilt und an die spezifischen Temperaturzonen innerhalb des Brennraumes angepasst, was das Zündverhalten des Kraftstoffs verbessert.
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Der in 7 dargestellte Schnitt zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, für die hinsichtlich der Verteilung und Anordnung der Düsenlöcher 7 dasselbe gilt wie bei der ersten Ausführungsform. Daher werden insoweit dieselben Bezugszeichen verwendet. Auf eine ausführliche Beschreibung wird verzichtet.
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Von der zweiten Ausführungsform ist in 7 lediglich der sich verjüngende, sternförmige Abschnitt 3 einer Einspritzdüse 1a dargestellt, der wie bei der ersten Ausführungsform die Düsenlöcher 7 mit den Kraftstoffkanälen 8 enthält. Diese enden in den Zufuhrkanal 29. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist in der zweiten Ausführungsform in den Zufuhrkanal 29 eine Düsennadel 30 aufgenommen, die gemeinsam mit dem Zufuhrkanal 29 einen Ventilsitz 31 ausbildet, mit dem der Zufuhrkanal 29 vor den Düsenlöchern 7 geschlossen werden kann. Dazu ist in dem Abschnitt 3 der Einspritzdüse eine Ventilsitzfläche 32 aufgebildet, mit der ein Ventilschließsitz 33 der Düsennadel 30 durch Bewegen der Düsennadel 30 in dem Zufuhrkanal 29 zusammenwirkt.
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An ihrem in dem Zufuhrkanal 29 angeordneten Ende besitzt die Düsennadel 30 im Bereich der Düsenlöcher 7 einen polyederförmigen Abschnitt 34. Dieser Abschnitt 34 weist ein oberes Ende 35a und ein unteres Ende 35b auf, wobei sich der polyederförmige bzw. doppel-pyramidenförmige Abschnitt 34 sowohl zum oberen Ende 35a als vorzugsweise auch zum unteren Ende 35b hin verjüngt. Der Winkel 36b, unter dem sich das untere Ende 35b verjüngt, ist größer als der Winkel 36a, unter dem sich das obere Ende 35a verjüngt. Die jeweiligen Seitenflächen sind dreieckförmig ausgebildet.
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Dargestellt ist die Düsennadel 30 in ihrem geöffneten Zustand des Ventilsitzes 31. Wenn das Ventil durch eine Bewegung der Düsennadel 30 in Strömungsrichtung 37 des Kraftstoffes geschlossen wird, wirken Ventilsitzfläche 32 und Ventilschließsitz 33 zu einem Dichtsitz zusammen, der verhindert, dass der Kraftstoff den Ventilsitz 31 passieren kann. Wenn die Düsennadel 30 entgegen der Strömungsrichtung 37 des Kraftstoffes bewegt wird, strömt der Kraftstoff zwischen Ventilschließsitz 33 und Ventilsitzfläche 32 in Strömungsrichtung 37 zu dem polyederförmigen Abschnitt 34. Dort wird der Kraftstoff durch die dreieckigen Seitenflächen des oberen Endes 35a des polyederförmigen Abschnitts 34 in Richtung der Düsenlöcher 7 umgelenkt, wobei beeinträchtigende Verwirbelungen im Eingangsbereich des Düsenlochs 7 minimiert werden. Anschließend tritt der Kraftstoff durch die Kraftstoffkanäle 8 aus den Austrittsöffnungen 10 aus der Außenfläche 11 aus. Dadurch wird ein Sprüheffekt erzielt, der eine besonders feine Kraftstoffwolke produziert.
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Ein Teil des Kraftstoffs strömt in ein an dem in der Darstellung gemäß 7 unteren Ende des Zufuhrkanals 29 ausgebildetes Sackloch 38. Um das Volumen des Sacklochs 38 zu minimieren, ragt auch der untere Abschnitt des polyederförmigen Abschnittes 34 in das Sackloch 38 hinein.
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8 stellt mögliche Ausführungen für die Austrittsöffnungen 10 und Querschnitt des Kraftstoffkanals 8 dar, abweichend von einer erfindungsgemäß bevorzugten runden Querschnittsgrundform. Gemäß 8a ist der polygone Querschnitt 39a der Austrittsöffnungen 10 der Düsenlöcher 7 am Ende der Kraftstoffkanäle 8 an den Seitenflächen 11 der Einspritzdüse in dreieckiger Form ausgebildet. Auch die in 8b dargestellte Düsenöffnung 10 besitzt eine polygone Form mit geraden Seitenlinien, wobei der Querschnitt 39b der Austrittsöffnungen 10 hier die Form eines Oktagons besitzt. Ausführungsformen der polyederförmigen Austrittsöffnungen 10 mit konvexen und konkaven Ausführungen finden sich in den 8c und 8d. Die dargestellten polygonen Formen 39c, 39d ermöglichen einen intensiven Sprüheffekt an der Austrittsöffnung 10 der Einspritzdüse, so dass der Strahl aufgrund von Entspannungseffekten des austretenden Kraftstoffs besonders fein verteilt wird.
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Die erfindungsgemäßen Einspritzdüsen 1, 1a haben den Vorteil, dass der Kraftstoff optimiert in den Brennraum 4 eingebracht und verteilt wird. Dies steigert die Effizienz und führt zu einer vollständigen Verbrennung. Hierdurch sinken sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch die Emissionen.
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Die vorgeschlagenen Einspritzdüsen 1, 1a optimieren den Verbrennungsvorgang bei allen Motoren, bei denen der Kraftstoff mittels der Einspritzdüse 1, 1a direkt in den Zylinder eingespritzt wird. Somit kommt eine Anwendung sowohl bei Diesel- als auch bei Ottomotoren in Frage, die mittlerweile ebenfalls mit Direkteinspritzung ausgerüstet werden. Die Einspritzdüsen 1, 1a sind auch für einen Einsatz mit Pflanzenöl oder anderen Flüssigbrennstoffen besonders gut geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a
- Einspritzdüse
- 2
- Düsenkörper
- 3
- sich verjüngender Abschnitt
- 4
- Brennraum
- 5
- Brennraumdach
- 6
- Längsachse
- 7
- Düsenloch
- 8
- Kraftstoffkanal
- 9
- Zufuhrkanal
- 10
- Austrittspunkt
- 11
- Seitenfläche
- 12
- Spritzkegel
- 13
- Öffnungswinkel
- 14
- Grundfläche
- 15
- nach innen gerichtete Ecke
- 16
- nach außen gerichtete Ecke
- 17a, b
- Schnittlinien
- 18
- Seiten
- 19
- Kanten
- 20
- unterer Endabschnitt
- 21
- Übergang
- 22, 22a
- Einlassventil
- 23
- Einlassseite
- 24, 24a
- Auslassventil
- 25
- Auslassseite
- 26
- Orthogonalprojektion
- 27, 27a
- Achse
- 28a
- Einlass-Spreizwinkel
- 28b
- Auslass-Spreizwinkel
- 29
- Zufuhrkanal
- 30
- Düsennadel
- 31
- Ventilsitz
- 32
- Ventilsitzfläche
- 33
- Ventilschließsitz
- 34
- polyederförmiger Abschnitt
- 35a
- oberes Ende
- 35b
- unteres Ende
- 36a
- oberer Winkel
- 36b
- unterer Winkel
- 37
- Strömungsrichtung des Kraftstoffs
- 38
- Sackloch
- 39a
- Querschnitt der Austrittsöffnung - Dreiecksform
- 39b
- Querschnitt der Austrittsöffnung - Oktagon
- 39c
- Querschnitt der Austrittsöffnung - konkav
- 39d
- Querschnitt der Austrittsöffnung - konvex
