DE102018005849A1

DE102018005849A1 - Gemischbildungsraumabgrenzungsteil und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102018005849A1
Application number: DE102018005849.3A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Rentsch
Original assignee: Werrta GmbH
Current assignee: Werrta GmbH
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2020-01-30
Also published as: WO2020020899A1

Abstract

Durch das Ansaugrohr (2) wird Verbrennungsluft angesaugt. In die Verbrennungsluft wird über den aus Quarzglas gefertigten, in die Wandung (9a) des Ansaugrohrs (2) eingesetzten Düsenkörper (14a) Wasser eingespritzt. Das Innere des Ansaugrohrs bildet somit einen Gemischbildungsraum für die Bildung eines Luft-Wasser-Gemischs. Der letzte Teil des Fluidpfads (10a) von der Außenseite der Wandung (9a) zu deren Innenseite verläuft durch die Einspritzkanäle des Düsenkörpers (14a), so dass Wasser aus den Einspritzöffnungen austreten kann. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt durch den aus Quarzglas gefertigten, in die Wandung (9b) des Zylinderkopfs (1) eingesetzten Düsenkörper (14b). Der letzte Teil des Fluidpfads (10b) von der Außenseite der Wandung (9b) zu deren Innenseite verläuft durch die Einspritzkanäle des Düsenkörpers (14b), so dass Kraftstoff aus den Einspritzöffnungen austreten kann. Die Einspritzkanäle sind mittels selektiver Laserbelichtung und anschließenden Ausätzens der belichteten Bereiche (selektives laserinduziertes Ätzen) in den Düsenkörpern (14a, 14b) die gebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gemischbildungsraumabgrenzungsteil, insbesondere ein Zylinderkopfteil oder Ansaugrohr, zum zumindest einseitigen Abgrenzen eines Gemischbildungsraums einer Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
In Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Hubkolbenmotoren, kann eine Gemischbildung, d.h. die Bildung eines Gemischs aus Luft und Kraftstoff, an verschiedenen Orten erfolgen, beispielsweise im Brennraum (Kolbeninnenraum) bei direkt einspritzenden Otto- oder Dieselmotoren, oder im Ansaugrohr, über welches die Verbrennungskraftmaschine mit Verbrennungsluft versorgt wird. Bei modernen Hubkolbenmotoren handelt es sich in heutiger Zeit praktisch ausschließlich um Einspritzmotoren, bei welchen der Kraftstoff mittels Einspritzdüsen in die angesaugte, ggf. auch mittels Turbolader oder Kompressor komprimierte Verbrennungsluft eingespritzt wird.
Art und Güte der Gemischbildung, d.h. insbesondere Tröpfchenverteilung und Tröpfchengrößenverteilung des eingespritzten Kraftstoffs, kommt sehr große Bedeutung in Hinblick auf die Güte der Verbrennung und somit Leistungsausbeute und Abgasqualität des Motors zu. Beeinflusst werden kann die Kraftstoffzerstäubung, d.h. Tröpfchenbildung des eingespritzten Kraftstoffs, insbesondere durch die räumliche Anordnung der Einspritzdüsen sowie durch Düsendurchmesser und Einspritzdruck.
Dabei gibt es fertigungstechnische Grenzen für die Gestaltung der Einspritzdüsen, insbesondere was die Fertigungspräzision bei sehr kleinen Düsendurchmessern angeht.
Neben der Kraftstoffeinspritzung gewinnt in jüngster Zeit auch die Wassereinspritzung bei Otto- und Dieselmotoren an Bedeutung. Zur Vermeidung der Motorüberhitzung, insbesondere in Anbetracht einer Entwicklung hin zu immer leistungsfähigeren und, bei gleicher Leistung, immer kleineren Verbrennungsmotoren, wird hierbei Wasser in den Ansaugtrakt, u.U. auch in den Brennraum eingespritzt. Auch hier ist die Qualität der Zerstäubung des eingespritzten Wassers (Tröpfchenverteilung und Tröpfchengrößenverteilung) von Bedeutung für die Wirksamkeit der Maßnahme. Angestrebt wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung möglichst feiner Tröpfchen.
Auch hier sind der Fertigungspräzision Grenzen gesetzt. Insbesondere kann bei bekannten herkömmlichen Einspritzdüsen die Oberflächenqualität im Inneren der Einspritzkanäle unzureichend sein, so dass der Druckverlust gerade bei feinen Düsenöffnungen zu hoch ist, und die gewünschte Zerstäubungsleistung nicht erreicht wird.
Angesichts der Einschränkungen, denen der Einsatz herkömmlicher Einspritzdüsen unterliegt, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Fertigungspräzision von Einspritzdüsen, insbesondere im Bereich der Einspritzöffnung, zu erhöhen, und die Variationsmöglichkeiten für die Auslegung von Einspritzdüsen zu erhöhen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Gemischbildungsraumabgrenzungsteil zum zumindest einseitigen Abgrenzen eines Gemischbildungsraums einer Verbrennungskraftmaschine gelöst, welches eine aus einem metallischen Material oder Metallverbundmaterial gefertigte Wandung mit einer dem Gemischbildungsraum zugewandten Innenseite und einer dem Gemischbildungsraum abgewandten Außenseite, einen in der Wandung angeordneten Düsenkörper aus einem Glasmaterial, welcher eine Einspritzöffnung zum Einspritzen eines Fluids in den Gemischbildungsraum auf der Innenseite der Wandung aufweist, und einen von der Außenseite der Wandung zur Einspritzöffnung durchgängigen Fluidpfad aufweist.
Der Düsenkörper kann dabei direkt oder indirekt mittels einer Buchse, Hülse, Fassung oder dgl. in die Wandung eingesetzt sein. Entscheidend ist, dass die Einspritzöffnung des Düsenkörpers in den Gemischbildungsraum mündet.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird jegliches Bauteil als Gemischbildungsraumabgrenzungsteil verstanden, welches zumindest von einer Seite aus einen Raum begrenzt, in welchem eine Gemischbildung, beispielsweise aus Luft und Kraftstoff oder Luft und Wasser oder Luft, Kraftstoff und Wasser, stattfindet. Beispiele für Brennraumabgrenzungsteile gemäß der vorliegenden Erfindung sind Zylinderkopfbauteile (bzw. Zylinderköpfe), Ansaugrohre, und Gemischbildungskammern (Brennraumvorkammern).
Der Werkstoff Glas, vorzugsweise Quarzglas, gestattet bei geeigneter Verarbeitung gegenüber metallischen Werkstoffen eine höhere Fertigungsqualität. Durch die insgesamt hohe mögliche Fertigungspräzision können dabei besonders gute Oberflächenqualitäten, d.h. geringe Oberflächenrauhigkeiten im Inneren des Fluidpfads erzielt und gewünschte Austrittsdurchmesser der Einspritzöffnungen besonders genau eingehalten werden, insbesondere auch bei kleinen Durchmessern. Entsprechend streuen in der Massenproduktion die erzielbaren Werte für die (vom Druckverlust abhängige) Zerstäubungsleistung weniger stark, und definierte Einspritzeigenschaften können somit mit geringeren Abweichungen garantiert werden.
Exakter produzierbare Einspritzdüsen gestatten eine bessere Einstellbarkeit der je nach Anwendungsfall bestgeeigneten Tropfengrößenverteilung. Hierdurch lassen sich Verbrennungs- bzw. Kühlungseigenschaften von Kraftstoff- bzw. Wassereinspritzung in Verbrennungskraftmaschinen optimieren.
Weitere Vorteile des Werkstoffs Glas sind gute Hochtemperaturbeständigkeit und hohe chemische (und somit Korrosions-) Beständigkeit.
Vorzugsweise sind die Einspritzöffnung und zumindest ein in dem Düsenkörper ausgebildeter Teil des Fluidpfads mittels lokaler Lasereinwirkung auf das (Quarz-)Glas und anschließenden Wegätzens von der Lasereinwirkung ausgesetztem (Quarz-)Glas gebildet. Das Wegätzen von der Lasereinwirkung ausgesetztem (Quarz-)Glas kann beispielsweise unter Verwendung von Flusssäure (HF) oder vorzugsweise Kalilauge (KOH) erfolgen. Das (Quarz-)Glas kann auch geeignet dotiert sein, um die Laserbearbeitbarkeit zu verbessern. Ein solches Fertigungsverfahren ist per se unter anderem unter der Bezeichnung SLE (Selective, Laser-Induced Etching, selektives laserinduziertes Ätzen) bekannt und in Hermans, M. et al.: Selective, Laser-Induced Etching of Fused Silica at High Scan-Speeds Using KOH, JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering Vol. 9, No. 2, 2014 veröffentlicht. Fertigungsmaschinen, mit denen nach dem SLE-Verfahren gefertigt werden kann, sind unter der Bezeichnung LightFab Microscanner kommerziell erhältlich.
Alternativ können die Einspritzöffnungen und ggf. Teile des Fluidpfads vorteilhaft mittels Femtosekundenlaser gebohrt sein. Die Herstellung mittels lokaler Lasereinwirkung auf das Quarzglas und anschließenden Wegätzens von der Lasereinwirkung ausgesetztem Quarzglas gestattet jedoch in der Regel höhere Fertigungsqualität.
Das letztgenannte Verfahren eignete sich besonders gut für komplizierte und feine Strukturen. So lassen sich vorteilhaft insbesondere auch für eine feine Zerstäubung besonders günstige enge Einspritzöffnungen mit einem kleinsten Durchmesser des Einspritzkanals von 200 µm oder kleiner, vorzugsweise 100 µm oder kleiner, besonders bevorzugt 50 µm oder kleiner oder gar 10 µm oder kleiner präzise fertigen.
Als Einspritzkanal wird hier der Teil des Fluidpfads bezeichnet, welcher der Einspritzöffnung unmittelbar vorgelagert ist, also die Hohlstruktur, die direkt in die Einspritzöffnung mündet, ohne dass weitere funktionale Elemente des Fluidpfads dazwischengeschaltet wären. Dies bedeutet insbesondere, dass stufenartige Verengungen des Fluidpfads, der Sitz für ein Stellelement wie eine Ventilnadel oder einen Ventilzapfen, etwaige Verzweigungen des Fluidpfads und dergleichen noch außerhalb des Einspritzkanals liegt, der Einspritzkanal also hinter dem letzten derartigen Funktionselement des Fluidpfads beginnt.
Für die Angaben zur Geometrie des Einspritzkanals gilt folgendes. Als Länge des Einspritzkanals wird die geringste Länge von der Berandung der Eintrittsöffnung in den Einspritzkanal zur Berandung der Austrittsöffnung (=Einspritzöffnung) des Einspritzkanals verstanden. Als Mittelachse des Einspritzkanals wird die Gerade verstanden, welche den Flächenschwerpunkt der Eintrittsöffnung mit dem Flächenschwerpunkt der Austrittsöffnung (=Einspritzöffnung) verbindet. Der geringste Durchmesser eines Einspritzkanals ist der geringste mögliche Abstand der beiden Schnittpunkte einer die Mittelachse orthogonal schneidenden Linie mit der Berandung des Einspritzkanals. Der geringste Durchmesser der Einspritzöffnung ist der geringste mögliche Abstand der beiden Schnittpunkte einer den Flächenschwerpunkt der Einspritzöffnung (Schwerpunkt der von der Berandung der Einspritzöffnung aufgespannten Fläche) orthogonal schneidenden Linie mit der Berandung der Einspritzöffnung. Ist der Einspritzkanals im wesentlichen zylindrisch jedoch nicht orthogonal zu einer ebenen Oberfläche gebohrt, welche die Berandung der Einspritzöffnung bildet, so ergibt sich beispielsweise eine elliptische Einspritzöffnung, deren kürzere Hauptachse dem geringsten Durchmesser des Austrittskanals entspricht. Der Quotient aus Länge des Einspritzkanals und geringstem Durchmesser des Einspritzkanals wird als Aspektverhältnis bezeichnet. Niedrige Aspektverhältnisse gemäß dieser Definition bis hinunter zu 1 und sogar darunter sorgen für einen geringen Energieverlust beim Ausströmen des Einspritzfluids und eine entsprechend gute Zerstäubung.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können die Einspritzöffnung und zumindest ein in dem Düsenkörper ausgebildeter Teil des Fluidpfads in einem Abschnitt einer gezogenen Glaskapillare ausgebildet sein, wobei mindestens eine Glaskapillare mit einem Innendurchmesser gezogen wird, der dem geringsten Durchmesser einer Einspritzöffnung entspricht, und die Glaskapillare so geschnitten wird, dass für die Einspritzöffnung ein diese bildender Abschnitt entsteht. Die Glaskapillare wird somit in Scheiben geschnitten, wobei aus einer Scheibe jeweils ein Einspritzkanal gebildet wird. Mit einem Pikosekundenlaser kann überschüssiges Material abgetragen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Düsenkörper mindestens eine weitere Einspritzöffnung auf. So lassen sich auf einfache Weise Zwei- oder Mehrstrahldüsen bereitstellen. Dabei können die Einspritzöffnungen über einen gemeinsamen Fluidpfad oder jeweils einen eigenen Fluidpfad gespeist werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform hiervon sind die beiden Einspritzöffnungen bzw. zugehörigen Einspritzkanäle so angeordnet, dass daraus austretende Fluidstrahle an einem von den Einspritzöffnungen beabstandeten Aufprallort zentral aufeinandertreffen. Hierdurch kann man einen feineren Sprühnebel erzeugen, als der jeweilige Einzelstrahl bilden würde. Zentral bedeutet dabei, dass der überwiegende Teil des aus der einen Einspritzöffnung als Sprühstrahl austretenden Einspritzfluids (z.B. Wasser oder Kraftstoff) auf den überwiegenden Teil des aus der anderen Einspritzöffnung als Sprühstrahl austretenden Einspritzfluids auftrifft. Eine feine Zerstäubung wird hier insbesondere dadurch erreicht, dass unter Druck ausgestoßenes Einspritzfluid auf unter Druck ausgestoßenes Einspritzfluid prallt. Als Sprühstrahl wird ein Fluidstrahl oder eine strahlartige Ansammlung von Fluidtröpfchen bezeichnet.
Bei der Verwendung von Einspritzdüsen mit aufeinandertreffenden Sprühstrahlen lassen sich bei gegebenem Einspritzdruck feinere Tröpfchen erzeugen bzw. lässt sich eine gegebene Tröpfchengröße bei geringeren Einspritzdrücken erzeugen. Dies kann die Konstruktion von Einspritzsystemen insgesamt vereinfachen.
Vorzugsweise sind die vom Rand der jeweiligen Einspritzöffnungen aufgespannten Austrittsquerschnittsflächen zueinander geneigt. Besonders bevorzugt weisen die vom Rand der jeweiligen Einspritzöffnungen aufgespannten Austrittsquerschnittsflächen Flächennormalen auf, die sich schneiden. Vorteilhafterweise können aber auch die Einspritzkanäle einander zugeneigt sein (die Mittelachsen der Einspritzkanäle sind dann nicht parallel sondern bilden einen Winkel), ohne dass die Einspritzöffnungen notwendigerweise einander zugeneigt sein müssen.
Vorteilhafterweise kann der Düsenkörper mindestens zwei Einspritzkanäle mit einem ersten jeweiligem geringsten Durchmesser aufweisen, welche so angeordnet sind, dass aus deren Austrittsöffnungen (=Einspritzöffnungen) austretende Sprühstrahle an einem von den Einspritzöffnungen beabstandeten ersten Aufprallort zentral aufeinander treffen, und mindestens zwei Einspritzkanäle mit einem zweiten jeweiligem geringsten Durchmesser, welche so angeordnet sind, dass aus deren Austrittsöffnungen (=Einspritzöffnungen) austretende Sprühstrahle an einem von den Austrittsöffungen (=Einspritzöffnungen) beabstandeten zweiten Aufprallort zentral aufeinander treffen, wobei der erste jeweilige geringste Durchmesser und der zweite jeweilige geringste Durchmesser voneinander abweichen, vorzugsweise mindestens im Verhältnis 10:11, besonders bevorzugt mindestens im Verhältnis 2:3. Es werden in dieser Ausführungsform also mindestens zwei Paare oder n-Tupel von Einspritzkanälen vorgesehen, deren Sprühstrahle entsprechend an insgesamt zwei oder mehr jeweiligen Aufprallorten zentral aufeinander treffen.
Durch gezielt eingestellte Abweichungen des ersten jeweiligen geringsten Durchmessers vom zweiten jeweiligen geringsten Durchmesser lassen sich gewünschte Tröpfchengrößenverteilungen einstellen. Ebenso können, zusätzlich oder alternativ zu den jeweiligen geringsten Durchmessern, auch die Aspektverhältnisse, vorzugsweise mindestens im Verhältnis 4:5, und/oder die Winkel der Mittelachsen jeweiliger Kanalpaare oder Kanal-n-Tupel, vorzugsweise um mindestens 10 Grad, von denen der übrigen Kanalpaare oder Kanaln-Tupel abweichen. Insbesondere können durch entsprechend vorgesehene zwei, drei und mehr Paare oder n-Tupel von Einspritzkanälen bimodale, trimodale etc. Tröpfchengrößenverteilungen erzielt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegden Erfindung wird ein Gemischbildungstrakt für eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, aufweisend ein Gemischbildungsraumabgrenzungsteil obiger Art und eine Zuführungsvorrichtung zum Zuführen von Fluid, insbesondere Kraftstoff oder Wasser, in den Fluidpfad. Zuführungsvorrichtung oder Bestandteil einer Zuführungsvorrichtung kann insbesondere eine Einspritzdüse ein Piezo-Aktor oder dgl. sein.
Gemäß einem weitere Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Gemischbildungsraumabgrenzungsteils zum zumindest einseitigen Abgrenzen eines Gemischbildungsraums einer Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, wobei eine Wandung aus einem metallischen Material oder Metallverbundmaterial mit einer dem Gemischbildungsraum zugewandten Innenseite und einer dem Gemischbildungsraum abgewandten Außenseite bereitgestellt wird, und mindestens ein Düsenkörper aus einem Glasmaterial in der Wandung angeordnet wird, welcher eine Einspritzöffnung zum Einspritzen eines Fluids in den Gemischbildungsraum auf der Innenseite der Wandung aufweist, so dass ein von der Außenseite der Wandung zur Einspritzöffnung durchgängiger Fluidpfad entsteht.
Das Gemischbildungsraumabgrenzungsteil kann mittels per se aus dem Stand der Technik bekannten metallverarbeitenden Verfahren hergestellt werden. Zum Anordnen des Düsenkörpers kann dieser entweder direkt eingegossen, oder direkt oder indirekt (beispielsweise mittels einer Hülse, Büchse oder einen anderweitigen Einsatz) in eine entsprechende Aussparung eingesetzt werden. Die Aussparung in der Wandung kann dabei durch eine entsprechende Aussparung beim Gießen und/oder durch geeignete spanabhebende Bearbeitung, wie Bohren oder Fräsen gebildet werden. Es ist beispielsweise auch möglich, ein Innengewinde in das Gemischbildungsraumabgrenzungsteil zu schneiden und mit einem Außengewinde des Düsenkörpers oder eines den Düsenkörper haltenden Einsatzes zu paaren.
Wie oben erläuteret, kann das Herstellen der Einspritzöffnung und zumindest eines Teils des Fluidpfads in dem Düsenkörper mittels Lasereinwirkung erfolgen. .
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu; insbesondere entsprechen Verhältnisse der einzelnen Abmessungen zueinander aus Gründen der Anschaulichkeit teilweise nicht den Abmessungsverhältnissen in tatsächlichen technischen Umsetzungen. Es werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Grundsätzlich kann jede im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebene bzw. angedeutete Variante der Erfindung besonders vorteilhaft sein, je nach wirtschaftlichen, technischen und ggf. medizinischen Bedingungen im Einzelfall. Soweit nichts gegenteiliges dargelegt ist, bzw. soweit grundsätzlich technisch realisierbar, sind einzelne Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen austauschbar oder miteinander sowie mit per se aus dem Stand der Technik bekannten Merkmalen kombinierbar.
Es zeigt

1 die ausgebrochene Querschnittsdarstellung zweier erfindungsgemäßer Gemischbildungsraumabgrenzungsteile, nämlich eines Saugrohrs sowie eines Zylinderkopfes eines Otto-Motors,
2 die Querschnittsdarstellung eines aus Quarzglas gefertigten Düsenkörpers mit zwei zylindrischen Einspritzkanälen, wie er in das Saugrohr und den Zylinderkopf in 1 eingesetzt ist,
3 die Querschnittsdarstellung eines weiteren aus Glas gefertigten Düsenkörpers mit einem zylindrischen Einspritzkanal,
4 die Querschnittsdarstellung eines weiteren aus Glas gefertigten Düsenkörpers mit einem zylindrischen Einspritzkanal,
5 die Querschnittsdarstellung eines weiteren aus Glas gefertigten Düsenkörpers mit einem konischen Einspritzkanal,
6a einen aus Quarzglas gefertigten Düsenkörper in einer Draufsicht ähnlich 5a, wobei der Düsenkörper drei Paare von Austrittskanälen mit von Paar zu Paar abweichendem Einspritzkanaldurchmesser aufweist, und die jeweilige Schnittebene der 6b, 6c und 6d als durchbrochene Linien B-B', C-C' bzw. D-D' angedeutet ist,
6b den Düsenkörper aus 6a in der Querschnittsdarstellung für die Schnittebene B-B',
6c den Düsenkörper aus 6a in der Querschnittsdarstellung für die Schnittebene C-C',
6d den Düsenkörper aus 6a in der Querschnittsdarstellung für die Schnittebene D-D',
7a den aus Quarzglas gefertigten Düsenkörper aus 2 in der Draufsicht von unten, wobei die Schnittebene der 2 als durchbrochene Linie A-A' angedeutet ist,
7b den Düsenkörper aus 2 abermals in Querschnittsdarstellung zum Vergleich mit der zugehörigen Draufsicht (von unten) in 7a.

Einander entsprechende Elemente sind in den Zeichnungsfiguren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt einen Zylinderkopf 1 als erstes erfindungsgemäßes Gemischbildungsraumabgrenzungsteil und ein mit dem Zylinderkopf 1 verbundenes Ansaugrohr 2 als zweites Gemischbildungsraumabgrenzungsteil. Der Zylinderkopf 1 ist ferner mit einem Zylinderblock 3 eines Ottomotors verbunden, wobei im Zylinder laufenden Kolben 4 mit Kolbenringen 6. Zylinderkopf 1, Ansaugrohr 2, Zylinderblock 3, Kolben 4 sowie Einlassventilstößel 7 und Auslassventilstößel 8 sind mittels Bruchlinien nur teilweise dargestellt und können im wesentlichen wie die entsprechenden Bauteile herkömmlicher Ottomotoren ausgeführt sein.
Durch das Ansaugrohr 2, welches Teil des Ansaugtrakts ist, wird Verbrennungsluft angesaugt. In die Verbrennungsluft wird über den aus Glas gefertigten, in die Wandung 9a des Ansaugrohrs 2 eingesetzten Düsenkörper 14a Wasser eingespritzt. Das Innere des Ansaugrohrs bildet somit einen Gemischbildungsraum für die Bildung eines Luft-Wasser-gemischs. Der letzte Teil des Fluidpfads 10a von der Außenseite der Wandung 9a zu deren Innenseite verläuft durch die Einspritzkanäle 15a, 15b des Düsenkörpers 14a, so dass Wasser aus den Einspritzöffnungen 16a und 16b austreten kann.
Ein vergrößertes Abbild des Düsenkörpers 14a, welcher im dargestellten Beispiel gleich ausgebildet ist wie der in den Zylinderkopf 1 eingesetzte Düsenkörper 14b, ist in 2 als Düsenkörper 14 dargestellt.
Mittels selektiver Laserbelichtung und anschließendem Ausätzen der belichteten Bereiche (Selektives laserinduziertes Ätzen) sind in dem zylindrischen Quarzglas-Düsenkörper 14 die beiden im wesentlichen zylindrischen Einspritzkanäle 15a, 15b mit Einspritzöffnungen 16a, 16b gebildet. Die im Düsenkörper 14 ausgeformte Fortsetzung 23 des Fluidpfads 10a bzw. 10b ist durch Materialabtrag mittels Picosekundenlaser hergestellt.
Der Winkel α zwischen den sich im Punkt S schneidenden Mittelachsen 17a, 17b der Einspritzkanäle 15a, 15b beträgt im dargestellten Beispiel etwa 80°. Das Aspektverhältnis zwischen der Länge 1 der Einspritzkanäle 15a, 15b (entlang der jeweils kürzesten Mantellinie des zylindrischen Mantels der Austrittskanäle 15a, 15b) und deren Zylinderdurchmesser beträgt ca. 4:1. In 5a und 5b sind die geometrischen Verhältnisse nochmals verdeutlicht. 5a ist dabei die Draufsicht von unten in 5b. Die Schnittebene der 5b ist in 5a als durchbrochene Linie A-A' angedeutet.
Durch geeignete Wahl des Aspektverhältnisses, des treibenden Druckgefälles, des Strahl-Prallwinkels α sowie des Durchmessers d (und entsprechender Länge 1) der Austrittskanäle 15a, 15b kann der Fachmann die Tröpfchengrößenverteilung und den Volumenstrom einstellen. Hierzu sind lediglich geeignete Auslegungsversuche durchzuführen, die ohne weiteres an einem hydraulischen Modell erfolgen können.
Die mit Wassertröpfchen beladene Ansaugluft gelangt bei geöffnetem Einlassventilstößel 7 durch das Einlassventil 11 in den von Kolben 4, Innenwand des Zylinders 5 und Zylinderkopf 1 abgeschlossenen Brennraum. Bei einem Direkteinspritzmotor, wie dargestellt, bildet der Brennraum einen Gemischbildungsraum, in den Kraftstoff eingespritzt wird.
Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt durch den aus Glas gefertigten, in die Wandung 9b des Zylinderkopfs 1 eingesetzten Düsenkörper 14b. Der letzte Teil des Fluidpfads 10b von der Außenseite der Wandung 9b zu deren Innenseite verläuft durch die Einspritzkanäle 15a, 15b des Düsenkörpers 14b, so dass Kraftstoff aus den Einspritzöffnungen 16a und 16b austreten kann.
Wie oben angegeben ist ein vergrößertes Abbild des Düsenkörpers 14b, welcher im dargestellten Beispiel gleich ausgebildet ist wie der in das Saugrohr 2 eingesetzte Düsenkörper 14a, in 2 als Düsenkörper 14 dargestellt.
Nicht dargestellt sind sonstige, auf herkömmliche Weise nicht aus Glas gefertigte Teile der Einspritzdüsen, insbesondere Aktoren wie Nadeln oder Zapfen. Hier kann der Fachmann auf die per se bekannte Einspritzdüsentechnik zurückgreifen.
Über die Zündkerze 22 wird das Gemisch gezündet, so dass das expandierende Verbrennungsgas den Kolben 4 im Arbeitstakt nach unten treiben kann.
Das durch die Verbrennung des Gemischs entstehende Abgas wird bei geöffnetem Auslassventilstößel 8 des Asuslassventils 12 in den Abgastrakt 13 ausgestoßen.
Die in 14 gezeigte Zweistrahldüse mit bietet dem Fachmann wie oben dargelegt viele Auslegungsparameter, die variiert werden können. Durch das Prinzip aufeinanderprallender Sprühstrahlen lässt sich eine besonders feine und gleichmäßige Fluidzerstäubung erreichen.
Daneben besteht jedoch auch die Möglichkeit, einfachere oder komplexere Düsengeometrien bereitzustellen. 3 und 4 zeigen jeweils einen einfachen Düsenkörper 14 mit geradem zylindrischen Einspritzkanal 15, einmal mit und einmal ohne einen dem Einspritzkanal 15 vorgelagerten Teil 23 des Fluidpfads. 5 zeigt einen einfachen Düsenkörper 14 mit konischem Einspritzkanal 15.
6a-d zeigen einen Düsenkörper 14 mit drei Paaren von Einspritzkanälen 15a, 15b, 25a, 25b und 35a, 35b mit unterschiedlichen Kanaldurchmessern d₁, d₂, und d₃ . 6a ist dabei die Draufsicht von unten in 6b-d. Die Schnittebene der 6b ist in 6a als durchbrochene Linie B-B' angedeutet, die Schnittebene der 6c als durchbrochene Linie C-C', und die Schnittebene der 6d als durchbrochene Linie D-D'. Die Stufen 24 und 30 ermöglichen verschiedene Längen l₁ , l₂ , und l₃ für die Einspritzkanäle 15a, 15b, 25a, 25b bzw. 35a, 35b so dass sich das Aspektverhältnis für jedes Paar Einspritzkanäle 15a, 15b, 25a, 25b bzw. 35a, 35b über die Wahl der jeweiligen Stegdicke jeweils gleich oder voneinander verschieden einstellen lässt. Der Strahl-Prallwinkel α in den Schnittpunkten S₁ , S₂ , und S₃ der Kanalmittelachsen 17a, 17b, 27a, 27b bzw. 37a, 37b kann ebenfalls jeweils unterschiedlich gewählt werden.
Durch die parallelen Einspritzkanalpaare 15a, 15b, 25a, 25b bzw. 35a, 35b mit zugehörigen Einspritzöffnungen 16a, 16b, 26a, 26b, 36a, 36b lässt sich so eine breitere Tröpfchengrößenverteilung erzielen. Insbesondere voneinander abweichende Aspektverhältnisse sorgen für unterschiedlich starke Druckverluste der jeweiligen Sprühstrahle und somit unterschiedlich hohen Energieeintrag beim Aufprall im jeweiligen Schnittpunkt S₁ , S₂ , und S₃ der Kanalmittelachsen.
So werden dem Fachmann weitere Parameter an die Hand gegeben, mit welchen sich die Zerstäubung beeinflussen lässt.
Insbesondere die oben angeführte Fertigungsweise mittels lokaler Lasereinwirkung auf (Quarz-)Glas und anschließenden Wegätzens von der Lasereinwirkung ausgesetztem (Quarz-)Glas bietet dem Fachmann darüberhinaus eine Vielzahl weiterer Gestaltungsmöglichkeiten, wie das Einarbeiten von drallerzeugenden Geometrien, von den Einspritzkanälen im Fluidpfad vorgeschalteten Siebflächen, ähnlich den im deutschen Gebrauchsmuster 202017002851 beschriebenen, und dergleichen mehr.

Claims

Gemischbildungsraumabgrenzungsteil zum zumindest einseitigen Abgrenzen eines Gemischbildungsraums einer Verbrennungskraftmaschine, aufweisend eine aus einem metallischen Material oder Metallverbundmaterial gefertigte Wandung mit einer dem Gemischbildungsraum zugewandten Innenseite und einer dem Gemischbildungsraum abgewandten Außenseite, einen in der Wandung angeordneten Düsenkörper aus einem Glasmaterial, welcher eine Einspritzöffnung zum Einspritzen eines Fluids in den Gemischbildungsraum auf der Innenseite der Wandung aufweist, und einen von der Außenseite der Wandung zur Einspritzöffnung durchgängigen Fluidpfad.
Gemischbildungsraumabgrenzungsteil gemäß Anspruch 1, welcher als Brennraumabgrenzungsteil, insbesondere Zylinderkopfbauteil, ausgeführt ist.
Gemischbildungsraumabgrenzungsteil gemäß Anspruch 1, welcher als Gemischzuführungsteil, insbesondere Ansaugrohr, ausgeführt ist.
Gemischbildungsraumabgrenzungsteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einspritzöffnung und zumindest ein in dem Düsenkörper ausgebildeter Teil des Fluidpfads mittels Lasereinwirkung gebildet sind.
Gemischbildungsraumabgrenzungsteil gemäß Anspruch 4, wobei die Einspritzöffnung und zumindest ein in dem Düsenkörper ausgebildeter Teil des Fluidpfads durch lokale Lasereinwirkung und anschließendes Wegätzen von der lokalen Lasereinwirkung ausgesetztem Material gefertigt ist.
Gemischbildungsraumabgrenzungsteil gemäß Anspruch 4, wobei die Einspritzöffnung und zumindest ein in dem Düsenkörper ausgebildeter Teil des Fluidpfads durch Femtosekundenlaser gebohrt ist.
Gemischbildungsraumabgrenzungsteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Glasmaterial Quarzglas ist.
Gemischbildungsraumabgrenzungsteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Düsenkörper eine weitere Einspritzöffnung aufweist.
Gemischbildungsraumabgrenzungsteil gemäß Anspruch 8, wobei die beiden Einspritzöffnungen so angeordnet sind, dass daraus austretende Fluidstrahle an einem von den Einspritzöffnungen beabstandeten Aufprallort zentral aufeinandertreffen.
Gemischbildungsraumabgrenzungsteil gemäß Anspruch 9, wobei die vom Rand der jeweiligen Einspritzöffnungen aufgespannten Austrittsquerschnittsflächen zueinander geneigt sind.
Gemischbildungstrakt für eine Verbrennungskraftmaschine, aufweisend ein Gemischbildungsraumabgrenzungsteil gemäß einem der vorangehenden Ansprüche und eine Zuführungsvorrichtung zum Zuführen von Fluid, insbesondere Kraftstoff oder Wasser, in den Fluidpfad.
Verfahren zum Herstellen eines Gemischbildungsraumabgrenzungsteils zum zumindest einseitigen Abgrenzen eines Gemischbildungsraums einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Verfahren folgendes aufweist: Bereitstellen einer Wandung aus einem metallischen Material oder Metallverbundmaterial mit einer dem Gemischbildungsraum zugewandten Innenseite und einer dem Gemischbildungsraum abgewandten Außenseite, Anordnen eines Düsenkörpers aus einem Glasmaterial in der Wandung, welcher eine Einspritzöffnung zum Einspritzen eines Fluids in den Gemischbildungsraum auf der Innenseite der Wandung aufweist, so dass ein von der Außenseite der Wandung zur Einspritzöffnung durchgängiger Fluidpfad entsteht.
Verfahren gemäß Anspruch 12, welches ferner das Herstellen der Einspritzöffnung und zumindest eines Teils des Fluidpfads in dem Düsenkörper mittels Lasereinwirkung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Herstellen mittels Lasereinwirkung das Applizieren lokaler Lasereinwirkung und anschließendes Wegätzen von der lokalen Lasereinwirkung ausgesetztem Material umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Herstellen mittels Lasereinwirkung das Bohren mittels Femtolaser umfasst.