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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Einspritzdüse, die zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwendung findet, vorzugsweise einer Brennkraftmaschine, die nach dem Selbstzünderprinzip arbeitet.
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Stand der Technik
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Bei modernen selbstzündenden Brennkraftmaschinen wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingebracht, d.h. der Kraftstoff wird unabhängig von der Ladeluft zum optimalen Zeitpunkt unter hohem Druck in den Brennraum eingespritzt, wo er durch die verdichtete und entsprechend heiße Luft im Brennraum gezündet wird. Zur Einspritzung des Kraftstoffs dienen Injektoren, die mit Kraftstoff unter hohem Druck verbunden sind und in denen ein bewegliches Ventilelementmeist in Form einer Düsennadel - vorhanden ist. Die Düsennadel wird elektromagnetisch in Längsrichtung bewegt und gibt dadurch periodisch Einspritzöffnungen frei oder verschließt diese, so dass zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Menge Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum eingespritzt werden kann. Durch den hohen Druck des Kraftstoffs wird dieser bei der Einspritzung fein vernebelt, so dass ein Kraftstoffluftgemisch entsteht, das günstig verbrennt.
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Die Brennräume in Brennkraftmaschinen werden an ihrem oberen Ende von einem Zylinderkopf begrenzt, wobei am Zylinderkopf eine Vielzahl von Einrichtungen vorhanden sind, insbesondere Ein- und Auslassventile für die Ladeluft bzw. für die abgebrannte Luft aus dem Brennraum, und weitere Vorrichtungen, beispielsweise Sensoren. Dadurch ist der Bauraum im Zylinderkopf relativ eingeschränkt, so dass der Injektor, über den Kraftstoff eingebracht wird, nicht immer mittig zum zylindrischen Brennraum angebracht werden kann. Dies erschwert die Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum, da nur dann eine optimale Verbrennung stattfinden kann, wenn in allen Bereichen des Brennraums das richtige Kraftstoff-Luft-Gemisch vorhanden ist. Dazu ist aus der
DE 197 298 27 A1 ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das mehrere Spritzlöcher aufweist, die in einem Düsenkörper ausgebildet sind und durch eine Düsennadel geöffnet oder verschlossen werden. Die Spritzlöcher weisen an ihrem einlaufseitigen Ende unterschiedliche Rundungsradien auf, um die Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum zu begünstigen.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Einspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine kann eine Einspritzdüse gefertigt werden, die dazu ausgebildet ist, den Kraftstoff im Brennraum gleichmäßig zu verteilen, auch dann, wenn die Einspritzdüse nicht mittig, sondern außermittig bezüglich der Brennraumachse oder einer anderen Symmetrieachse im Brennraum angebracht ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Einspritzdüse mit einem Düsenkörper hergestellt, in dem mehrere Einspritzöffnungen ausgebildet sind, durch die verdichteter Kraftstoff in Form von Einspritzstrahlen ausgespritzt werden kann. Zur Herstellung der Einspritzdüse, die in einem bestimmten Brennraum angewandt werden soll, wird zuerst für jede Einspritzöffnung der Brennraumteil bestimmt, in die der durch die Einspritzöffnung eingespritzte Kraftstoff gelangen soll. In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Querschnitte der Einspritzöffnungen so bestimmt, dass sich die in einem gegebenen Zeitraum durch eine Einspritzöffnung austretende Kraftstoffmenge zur Summe der gesamten, durch alle Einspritzöffnungen austretende Kraftstoffmenge so verhält wie der entsprechende Brennraumanteil zum gesamten Brennraumvolumen. Anschließend werden die Einspritzöffnungen mit den so bestimmten Einspritzquerschnitten im Düsenkörper ausgebildet.
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Das Brennraumvolumen, das durch den Kraftstoff einer bestimmten Einspritzöffnung versorgt wird, bestimmt die dort vorhandene Sauerstoffmenge und damit auch die Kraftstoffmenge, die bei einem einzelnen Zyklus dort verbrannt werden kann. Für eine optimale Verbrennung muss die Zufuhr des Brennstoffs zu einem bestimmten Zeitpunkt geschehen, so dass für die gesamte Kraftstoffeinspritzung nur ein bestimmtes Zeitfenster zur Verfügung steht, in dem in jedes einzelne Brennraumteil die dort benötigte Kraftstoffmenge eingebracht werden muss. Wenn durch die außermittige Anordnung der Einspritzdüse ein Brennraumteil größer ist als ein anderes Brennraumteil, muss dort entsprechend mehr Kraftstoff eingebracht werden, als in einen kleineren Brennraumteil. Indem die Einspritzöffnungen in ihrem Durchmesser so angepasst werden, dass unterschiedliche Kraftstoffmengen in einer bestimmten Zeit durch die Einspritzöffnungen austreten, kann erreicht werden, dass in jedem Brennraumteil die genau benötigte Kraftstoffmenge vorhanden ist und in keinem Bereich des Brennraums ein zu mageres (Luftüberschuss) oder zu fettes (Kraftstoffüberschuss) Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Brennraumanteile mit dem folgenden Verfahren bestimmt. In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Auftreffebene innerhalb des Brennraums festgelegt, die eine virtuelle Ebene darstellt, die durch alle Einspritzstrahlen geschnitten wird. Anschließend werden die Durchstoßpunkte der Einspritzstrahlen durch diese Auftreffebene bestimmt, wobei die Durchstoßpunkte durch eine gedachte Verlängerung der Einspritzöffnungen bis zur Auftreffebene festgelegt werden. Anschließend werden die Voronoi-Flächen in der Auftreffebene bezüglich der Durchstoßpunkte bestimmt, wobei die Brennraumanteile den Anteilen der entsprechenden Voronoi-Flächen an der Gesamtfläche der Auftreffebene entsprechen. Die Voronoi-Fläche bezüglich eines Durchstoßpunktes ist die Teilfläche der Auftreffebene, deren Punkte näher zu diesem Durchstoßpunkt liegen als zu jedem anderen Durchstoßpunkt. Entsprechend repräsentiert diese Voronoi-Fläche bzw. ihr Anteil an der Auftreffebene auch den Brennraumanteil, der durch den entsprechenden Einspritzstrahl mit Kraftstoff versorgt werden soll. Damit können mit diesem Verfahren die entsprechenden Brennraumanteile bestimmt werden und die zugehörige Durchflussmengen bestimmt werden, die durch die einzelnen Einspritzöffnungen austreten müssen, um die gesamte Ladeluft im Brennraum optimal mit Kraftstoff zu versorgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der Brennraum zylindrisch ausgebildet und die Auftreffebene ist parallel zum Boden des Brennraums definiert. Unter Ausnutzung dieser zylindrischen Symmetrie lässt sich die Ebene leicht festlegen und damit auch der Brennraumanteil nach dem oben geschilderten Verfahren.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sind die Einspritzöffnungen gleichmäßig über den Umfang der Einspritzdüse verteilt ausgebildet. Damit kann in einfacher Weise über den Durchmesser der Einspritzöffnungen die entsprechende Kraftstoffmenge in dem entsprechenden Brennraumanteil eingestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weist der Brennraum einen rechteckigen Querschnitt auf. Damit können die Einspritzöffnungen in vorteilhafter Weise so angeordnet werden, dass die Einspritzstrahlen einen Fächer bilden, so dass die Einspritzdüse den Kraftstoff auch dann vorteilhaft im Brennraum verteilen kann, wenn diese stark außermittig zum Brennraum angeordnet ist.
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In einer erfindungsgemäßen Düsenanordnung, umfassend eine Einspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Einspritzdruck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, ist die Einspritzdüse so angeordnet, dass sie Kraftstoff in den Brennraum einspritzen kann. Dabei weist die Einspritzdüse einen Düsenkörper auf, in dem mehrere Einspritzöffnungen ausgebildet sind, durch die der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden kann. Die Einspritzöffnungen, die weiter von einer Brennraumwand entfernt sind, sind mit einem größeren Durchmesser ausgestattet als die Einspritzöffnungen, die näher an einer Brennraumwand angeordnet sind. Dies führt dazu, dass durch die Einspritzöffnungen, die einen größeren Brennraumanteil mit Kraftstoff versorgen, mehr Kraftstoff fließt als durch die übrigen Einspritzöffnungen, so dass insgesamt eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung im Brennraum erreicht wird. Dabei ist die Einspritzdüse in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung außerhalb der Mittelachse des Brennraums angeordnet, wenn der Brennraum zylindrisch ausgebildet ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Brennraum mit einer rechteckigen Grundfläche ausgebildet, wobei die Einspritzdüse außermittig zu der rechteckigen Grundfläche in den Brennraum ragt, wobei außermittig hier bedeutet, außerhalb des Mittelpunkts der rechteckigen Grundfläche. Dabei sind die Einspritzöffnungen der Einspritzdüse in vorteilhafter Weise so ausgerichtet, dass die durch die Einspritzöffnungen austretenden Einspritzstrahlen einen Fächer ausbilden, so dass der Kraftstoff flächig und gleichmäßig im Brennraum verteilt wird.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Düsenanordnung und Zeichnungen zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es zeigt:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse in schematischer Darstellung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist,
- 2a eine bekannte Düsenanordnung, wobei die Einspritzdüse in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragt,
- 2b einen Querschnitt durch den Brennraum der 2a entlang der Ebene 20,
- 2c eine Ansicht des brennraumseitigen Endes der Einspritzdüse nach 2a,
- 3a eine Darstellung einer Düsenanordnung mit einer erfindungsgemäß gefertigten Einspritzdüse in der gleichen Darstellung wie 2a,
- 3b wiederum einen Querschnitt durch den Brennraum der 3a analog zur 2b,
- 3c eine Ansicht der Einspritzdüse 1 von ihrem brennraumseitigen Ende analog zu 2c,
- 4a eine weitere erfindungsgemäße Düsenanordnung in einem Brennraum mit einem rechteckigen Querschnitt, wie er beispielsweise bei Wankelmotoren vorhanden ist,
- 4b eine Draufsicht auf die Anordnung nach 4a und
- 4c eine Ansicht des brennraumseitigen Endes einer Einspritzdüse, wie sie für eine Düsenanordnung gemäß 4a zur Anwendung kommt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Einspritzdüse in Längsschnitt dargestellt. Die Einspritzdüse 1 umfasst einen Düsenkörper 2, in dem ein Druckraum 3 ausgebildet ist. Der Druckraum 3 kann mit Kraftstoff unter einem hohen Druck befüllt werden und wird am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 2 von einem konischen Ventilsitz 10 begrenzt. Der Ventilsitz 10 geht in ein Sackloch 11 über, von dem mehrere Einspritzöffnungen 8 ausgehen. Diese sind über den Umfang des Düsenkörpers 2 verteilt angeordnet, um den Kraftstoff, der aus den Einspritzöffnungen austritt und dabei Einspritzstrahlen 12 bildet, in verschiedene Bereiche des Brennraums zu bringen. Durch den hohen Druck des Kraftstoffs, wie er im Druckraum 3 anliegt, wird der Kraftstoff beim Austritt aus den Einspritzöffnungen 8 fein zerstäubt, so dass ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum entsteht. Im Druckraum 3 ist eine kolbenförmige Düsennadel 5 längsverschiebbar angeordnet, die an ihrem brennraumseitigen Ende eine konische Dichtfläche 6 aufweist, mit der die Düsennadel 5 mit dem Ventilsitz 10 zusammenwirkt. Sitzt die Düsennadel 5 auf dem Ventilsitz 10 auf, so wird der Druckraum 3 gegenüber dem Sackloch 11 und damit auch gegenüber den Einspritzöffnungen 8 verschlossen. Wird die Ventilnadel 5 durch einen elektromagnetischen oder elektro-hydraulischen Mechanismus vom Ventilsitz 10 abgehoben, so wird zwischen der Dichtfläche 6 und dem Ventilsitz 10 ein Strömungsquerschnitt aufgesteuert, durch den Kraftstoff aus dem Druckraum 3 in das Sackloch 11 strömen kann, von wo aus der Kraftstoff durch die Einspritzöffnungen 8 austritt. Der Düsenkörper 2 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und weist entsprechend eine Längsachse 9 auf. Die Einspritzöffnungen 8 sind zylindrisch oder leicht konisch ausgebildet und weisen entsprechend ebenfalls Mittelachsen 13 auf.
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In 2a ist die Einspritzdüse aus 1 in ihrer Einbaulage in einem Brennraum dargestellt. Der Brennraum ist durch eine Kolbenbohrung 26 in einem Motorblock 14 ausgebildet, der in der 2a schematisch im Schnitt gezeichnet ist. Der Brennraum 15 wird an seinem unteren Ende von einem beweglichen Kolben 17 begrenzt, der in der Kolbenbohrung 26, die damit auch die Brennraumwand 16 bildet, längsbeweglich geführt ist. Der Kolben 17 ist dabei über eine nicht gezeigte Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden. Im Zylinderkopf 27 ist eine Ausnehmung 21 ausgebildet, durch die eine Einspritzdüse 1 bis in den Brennraum 15 ragt. Die aus den Einspritzöffnungen 8 austretenden Einspritzstrahlen 12 erstrecken sich in den Brennraum 15 hinein und sind in diesem Ausführungsbeispiel zueinander schirmförmig angeordnet. Zwischen der Einspritzdüse 1 und dem Kolben 17 ist eine Auftreffebene 20 eingezeichnet, die eine rein virtuelle Ebene darstellt. Die Einspritzstrahlen 12 bzw. die Mittelachsen 13 der Einspritzöffnungen 8 durchstoßen diese Auftreffebene 20 an Durchstoßpunkten 22. Dies ist in 2b in einer Draufsicht auf den Brennraum 15 nochmals dargestellt. Da die Einspritzdüse 1 mittig im Brennraum 15 angeordnet ist, sind die Einspritzstrahlen 12 symmetrisch über den Umfang der Einspritzdüse 1 verteilt angeordnet, so dass die Durchstoßpunkte 22 ebenfalls symmetrisch über den Umfang der Einspritzdüse und damit auch über den Umfang des zylindrischen Brennraums 15 angeordnet sind.
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In 2b sind die sogenannten Voronoi-Flächen eingezeichnet, die aus einer Dirichlet-Zerlegung der Auftreffebene 20 resultieren. Die Voronoi-Flächen, die den jeweiligen Durchstoßpunkten 22 zugeordnet sind und die in der 2b mit A1 bis A6 gekennzeichnet sind, kennzeichnen dabei den Anteil der Auftreffebene 20, deren Punkte dem jeweiligen Durchstoßpunkt 22 am nächsten liegen. Das heißt, alle Punkte der Fläche A1 sind dem in 2b obersten Durchstoßpunkt 22 am nächsten und entsprechend bei den anderen Durchstoßpunkten 22. In diesem Ausführungsbeispiel ergeben sich damit sechs gleich große Kreissegmente, deren Grenzflächen 24 in der 2b gestrichelt eingezeichnet sind. In der Projektion entlang der Mittelachse 19 des Brennraums 15 unterteilen diese Grenzflächen 24 damit auch den Brennraum 15 in sechs gleich große Zylindersegmente, die als Brennraumteile V1 bis V6 bezeichnet sind. Jeder Einspritzstrahl 12 versorgt einen dieser Brennraumteile mit Kraftstoff, so dass eine optimale Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum 15 dann erreicht wird, wenn alle Einspritzöffnungen 8 dieselbe Menge Kraftstoff in derselben Zeit ausstoßen, was leicht dadurch erreichbar ist, dass alle Einspritzöffnungen 8 gleich ausgebildet werden und gleichmäßig über den Umfang des Düsenkörpers 2 verteilt angeordnet sind. Entsprechend sieht die Verteilung der Einspritzöffnungen 8 am Düsenkörper 2 aus, wie die 2c in einer Ansicht des brennraumseitigen Endes der Einspritzdüse 1 zeigt.
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3a zeigt eine weitere Düsenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse bzw. mit einer Einspritzdüse, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt worden ist. Die Einspritzdüse 1 ragt hier wieder durch eine Ausnehmung 21 im Zylinderkopf 27 hindurch, wobei die Ausnehmung 21 außermittig bezüglich der Mittelachse 19 des Brennraums 15 ausgebildet ist. Würde die Einspritzdüse gemäß der 2a hier eingesetzt, so würde der Kraftstoff ungleichmäßig im Brennraum verteilt und in der Folge würden sich Bereiche des Brennraums bilden, in dem ein fettes und andere Bereiche in dem ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt. Entsprechend ungleichmäßig wäre die Verbrennung und damit die Effizienz der Brennkraftmaschine. Darüber hinaus würden sich schlechte Schadstoffemissionen ergeben. Die Einspritzstrahlen 12 durchstoßen auch hier die Auftreffebene 20 und bilden Durchstoßpunkte 22, wie in 3b analog zur 2b dargestellt. Die entsprechenden Voronoi-Flächen A1 bis A6 sind hier nicht gleich groß, sondern bilden unterschiedlich große Segmente der kreisförmigen Auftreffebene 20, so dass sich in der Projektion entlang der Längsachse 19 des Brennraums 15 entsprechend unterschiedliche Brennraumteile V1 bis V6 ergeben. Die größeren Brennraumteile V1 , V2 und V3 benötigen entsprechend mehr Kraftstoff als die kleineren Brennraumteile V4 , V5 und V6 . Um dies zu erreichen, weist die Einspritzdüse 1 entsprechend unterschiedliche große Einspritzöffnungen 8', 8" auf, wie in 3c dargestellt. Die drei Einspritzöffnungen 8', die die Brennraumteile V1 , V2 und V3 versorgen, weisen einen größeren Durchmesser auf als die Einspritzöffnungen 8", die die Brennraumteile V4 , V5 und V6 versorgen. Wie groß die Durchmesser im Einzelnen sein müssen, lässt sich über Versuche oder Simulationsrechnungen ermitteln. Die Einspritzöffnungen 8' bzw. 8" müssen dann so beschaffen sein, einerseits durch deren Durchmesser und andererseits auch durch die Rundung an der Eintrittsöffnung der jeweiligen Einspritzöffnungen 8, dass in einem gegebenen Zeitraum entsprechend den Brennraumteilen Vn die entsprechende Menge Kraftstoff durch die Einspritzöffnungen 8', 8" fließt.
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In 4a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt mit einer Einspritzdüse 1, die Kraftstoff in einen Brennraum 15 mit einer im Wesentlichen rechteckförmigen Grundfläche einbringt, wie es beispielsweise bei Wankelmotoren der Fall ist. Die Einspritzdüse 1 weist entsprechend einen Winkel α auf zwischen ihrer Längsachse 9 und der Senkrechten 25 bezüglich des Bodens des Brennraums 15', um den Brennraum 15', der durch den Kreiskolben 23 begrenzt ist, mit Kraftstoff zu versorgen. Die Einspritzöffnungen 8 sind so im Düsenkörper 2 ausgebildet, dass sich die Einspritzstrahlen 12 fächermäßig aufspannen, wie in 4b in einer Draufsicht auf den Brennraum 15' gezeigt. Dabei bilden die Einspritzstrahlen 12 einen horizontalen Strahlwinkel β aus und die einzelnen Einspritzstrahlen 12 sind so dimensioniert, dass die entsprechenden Brennraumteile mit Kraftstoff ausreichend versorgt werden. Auch hier kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Auslegen der Einspritzdüse 1 angewandt werden, indem die Durchstoßpunkte 22 durch die Auftrefffläche 20' bestimmt werden, die die obere Begrenzung des Kreiskolbens 23 bildet und damit die Brennraumteile Vn festlegt. 4c zeigt eine Ansicht der Einspritzdüse 1 von ihrem brennraumseitigen Ende. Die Einspritzöffnungen 8', 8" sind hier nur auf einer Seite der Einspritzdüse 1 ausgebildet, um die gewünschte fächerförmige Anordnung der Einspritzstrahlen 12 zu erreichen. Die Einspritzöffnungen 8' weisen hier wieder einen größeren Durchmesser auf als die Einspritzöffnungen 8", so dass in die Brennraumteile, die durch die Einspritzöffnungen 8' versorgt werden, mehr Kraftstoff gelangt als in die übrigen Brennraumteile.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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