DE102020113626A1

DE102020113626A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102020113626A1
Application number: DE102020113626.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ebert
Original assignee: Keyou GmbH
Current assignee: Keyou GmbH
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2021-11-25

Abstract

Ein Verbrennungsmotor (5) vorzugsweise zum Betrieb mit Wasserstoff, umfasst: zumindest einen Zylinder (4) mit einem Brennraum (7); zumindest einen Zuführkanal (1) zum Zuführen von Luft und einem darin eingespritzten Brennstofffluid, vorzugsweise Wasserstoff, an den Brennraum (7); und zumindest eine Einspritzdüse (2, 102), die einen Endabschnitt (2b, 102b) mit zumindest einem Auslass (22, 1022a) aufweist, wobei das Brennstofffluid entlang einer Hauptströmungsrichtung in den Endabschnitt (2b, 102b) einströmbar ist und über den zumindest einen Auslass (22, 1022a) in den Zuführkanal (1) ausströmbar ist. Für eine bessere Durchmischung mit Luft ist der Endabschnitt (2b, 102b) so konfiguriert, dass sich darin zumindest für einen Teil der Brennstofffluidströmung die Strömungsrichtung gegenüber der Hauptströmungsrichtung zum Auslass (22, 1022a) hin ändert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor, eine Einspritzdüse für einen Verbrennungsmotor, eine Verwendung einer Einspritzdüse in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor sowie auf ein Verfahren zum Betrieb eines Wasserstoff-Verbrennungsmotors.
Im Zuge der Entwicklung schadstoffarmer Verbrennungsmotoren kann Wasserstoff als Kraftstoff eine tragende Rolle einnehmen. So entsteht bei der Verbrennung von Wasserstoff mit Luft größtenteils Wasser. Ein mit Wasserstoff betriebener Verbrennungsmotor ist demnach sehr umweltfreundlich. Ein weiterer Vorteil besteht in der höheren gravimetrischen Energiedichte von Wasserstoff gegenüber fossilen Brennstoffen.
Allerdings stellt Wasserstoff aufgrund seiner Eigenschaften hohe Anforderungen an die Einspritzung. Bisher ist es beispielsweise aus der DE 20 2005 003 510 U1 bekannt, Wasserstoff direkt in den Brennraum eines Zylinders einzuspritzen. Dabei müssen allerdings hohe Drücke aufgebracht werden und ein Brennstofffluid vermischt sich meist schlecht mit Luft, was in Verbrennungsanomalien resultiert. Die unzureichende Mischungshomogenität mit Luft setzt auch den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors herab.
Es wurde weiterhin versucht, Wasserstoff in den Zuführ-/Ansaugkanal einzuspritzen. Doch auch hier ist das Verbrennungsverhalten bislang nicht zufriedenstellend. Auch in diesem Fall besteht eine Gefahr von Verbrennungsanomalien wie Vorzünden im Zuführ-/Ansaugkanal.
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht obiger Probleme gemacht und zielt darauf ab, Verbrennungsanomalien zu vermeiden sowie den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren zu verbessern.
Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verbrennungsverhalten und den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotors, zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist insbesondere ein Verbrennungsmotor, vorzugsweise zum Betrieb mit Wasserstoff, vorgesehen, der umfasst: zumindest einen Zylinder mit einem Brennraum; zumindest einen Zuführkanal zum Zuführen von Luft und einem darin eingespritzten Brennstofffluid, vorzugsweise Wasserstoff, an den Brennraum; und zumindest eine Einspritzdüse, die einen Endabschnitt mit zumindest einem Auslass aufweist, wobei das Brennstofffluid entlang einer Hauptströmungsrichtung in den Endabschnitt einströmbar ist und über den zumindest einen Auslass in den Zuführkanal ausströmbar ist. Der Endabschnitt ist so konfiguriert, dass sich darin zumindest für einen Teil der Brennstofffluidströmung die Strömungsrichtung gegenüber der Hauptströmungsrichtung zum Auslass hin ändert.
Gemäß dem ersten Aspekt strömt das Brennstofffluid in den Zuführkanal eines Zylinders. Somit kann das Brennstofffluid nahe an einem Brennraum eingespritzt werden. Die Verweilzeit des Brennstofffluides in dem Zuführkanal kann folglich klein gehalten werden. Das ist insbesondere für Wasserstoff vorteilhaft, da aufgrund der geringen Zündenergie von Wasserstoff gegenüber anderen natürlichen Gasen wie Methan ein langer Strömungsweg zum Brennraum mit der Gefahr von Fehlzündungen bereits im Zuführkanal verbunden ist, weil der leicht entzündbare Wasserstoff dabei erhebliche Zeit im Zuführkanal verbringt.
Bei einer Einspritzung in den Zuführkanal eines Zylinders kann sich jedoch die Durchmischung des Wasserstoffs mit der Luft aufgrund des kurzen Strömungsweges zum Brennraum verschlechtern, was zu Verbrennungsanomalien wie klopfender Verbrennung führen kann, da mit Brennstofffluid angereicherte Regionen eher zünden als Gebiete mit geringer Brennstofffluidkonzentration. Auch wird dadurch der Wirkungsgrad des Motors herabgesetzt.
Die Einspritzdüse hat einen Endabschnitt. Der Endabschnitt ist so konfiguriert, dass sich darin zumindest für einen Teil der Brennstofffluidströmung die Strömungsrichtung gegenüber der Hauptströmungsrichtung zum Auslass hin ändert. Dabei wird insbesondere durch Druckabbau der Brennstofffluidströmung bei Strömung zum Auslass hin zumindest teilweise eine Richtungsänderung aufgezwungen. Durch diese Änderung der Strömungsrichtung kann sich das Brennstofffluid bei Ausströmung in den Zuführkanal gut mit Luft vermischen. Selbst wenn die Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen mit einer Erstreckungsrichtung des Zuführkanals übereinstimmt, kann durch die Richtungsänderung der Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung im Endabschnitt eine Durchmischung des Brennstoffes mit Luft erreicht werden. Somit wird die Mischungshomogenität verbessert.
So kann die Brennstofffluidströmung beispielsweise von einer einheitlichen Strömung im Endabschnitt in mehrere Einzelströmungen aufgespalten werden, wobei zwischen die aufgespaltenen Abschnitte Luft strömen kann. Auch kann zumindest teilweise die Strömungsrichtung einer einheitlichen Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung geändert werden.
Vorzugsweise ist, wenn lediglich ein Auslass vorgesehen ist, die Querschnittsfläche des Auslasses größer als eine Querschnittsfläche eines engsten Querschnitts, in Hauptströmungsrichtung gesehen, stromaufwärts des Auslasses und besonders bevorzugt größer als eine Querschnittsfläche eines Eintritts des Endabschnitts, oder ist,
wenn eine Vielzahl von Auslässen vorgesehen ist, die Summe aller Querschnittsflächen der Vielzahl von Auslässen größer als eine Querschnittsfläche eines engsten Querschnitts, in Hauptströmungsrichtung gesehen, stromaufwärts der Vielzahl von Auslässen und besonders bevorzugt größer als eine Querschnittsfläche eines Eintritts des Endabschnitts.
Durch das besagte Querschnittsverhältnis kann ein superkritischer Strömungszustand erzeugt werden, wobei im engsten Querschnitt die kritische Machzahl von 1 erreicht wird. Daher kann ein Strömungszustand erreicht werden, der unabhängig vom Gegendruck, also dem Druck stromabwärts des Auslasses oder der Vielzahl von Auslässen ist. Somit kann der Strömungszustand im Wesentlichen abhängig vom Druck des Brennstofffluides und dessen Temperatur eingestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann ein Querschnitt des Auslasses mit einem Querschnitt an einem Eintritt des Endabschnitts in Hauptströmungsrichtung gesehen nicht deckungsgleich sein.
Somit kann sich auf einfache Weise eine Richtungsänderung der Brennstofffluidströmung erzielen lassen. Da der Querschnitt im Auslass, in Hauptströmungsrichtung projiziert, mit dem Querschnitt am Eintritt des Endabschnitts nicht vollständig übereinstimmt, wird das Brennstofffluid gezwungen, zumindest teilweise von der Hauptströmungsrichtung abzuweichen.
Vorzugsweise ist der Endabschnitt so konfiguriert, dass zum Auslass hin die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung aufweist.
Dabei lässt sich die Durchmischung des Brennstofffluides mit der Luft besonders effektiv realisieren. Die Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung bewirkt, dass das Brennstofffluid gezwungen wird, die Luft zu durchqueren, womit die Durchmischung gefördert wird. Vorzugsweise weist die Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise im Auslass selbst eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung auf. Somit lässt sich eine Wirbelbildung mit der Luft, die vom Brennraum angesaugt wird, im Zuführkanal fördern, was weiterhin die Durchmischung verbessert.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann der Endabschnitt so konfiguriert sein, dass zum Auslass hin die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise eine Komponente nach außen gegenüber der Hauptströmungsrichtung aufweist.
Somit kann die Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung divergieren. Dabei kann also neben den bereits zuvor beschriebenen Effekten Platz geschaffen werden, der für die Durchmischung mit der Luft zur Verfügung steht.
Vorzugsweise ist das Brennstofffluid entlang einer ersten Geometrieachse entlang der Hauptströmungsrichtung in den Endabschnitt einströmbar.
Somit lässt sich zuverlässig die Strömung entlang der Hauptströmungsrichtung erzielen. Das Gestalten eines Elements derart, dass es eine Geometrieachse aufweist, erleichtert weiterhin dessen Herstellung und kann gleichmäßige Strömungseigenschaften in einem Querschnitt quer zur Geometrieachse erzielen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann der Endabschnitt weiterhin zumindest einen Leitabschnitt aufweisen, der die Strömung zum Auslass hin leitet.
Somit kann die Änderung der Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung gezielt der Brennstofffluidströmung aufgeprägt werden und die Strömung in gewünschter Weise zum Auslass gerichtet werden.
Vorzugsweise ist der zumindest eine Leitabschnitt zumindest abschnittsweise, besonders bevorzugt vollständig, gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt.
Somit kann der Brennstofffluidströmung gezielt zumindest abschnittsweise eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung bei Strömung zum Auslass hin aufgeprägt werden, womit sich die zuvor genannten Effekte verbessern lassen.
Weiterhin kann der zumindest eine Leitabschnitt als kontinuierliche Verlängerung einer Kanalinnenwand der Einspritzdüse ausgebildet sein. Dies erlaubt eine einfache Fertigung der Einspritzdüse und reduziert Druckverluste, indem die Brennstofffluidströmung sanft umgelenkt wird.
Auch ist der zumindest eine Leitabschnitt vorzugsweise zumindest abschnittsweise, besonders bevorzugt, vollständig divergent gegenüber der Hauptströmungsrichtung ausgebildet.
Dabei ist es bevorzugt, dass der Leitabschnitt mit der Hauptströmungsrichtung zumindest abschnittsweise, besonders bevorzugt, vollständig, einen Neigungswinkel von größer gleich 5° und kleiner gleich 45° aufweist. Besonders bevorzugt ist der Neigungswinkel größer gleich 10° und kleiner gleich 20°. Noch bevorzugter beträgt der Neigungswinkel 12,5°.
Dabei kann einerseits eine ausreichende Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung bei Strömung zum Auslass hin aufgeprägt werden, andererseits kann eine zu große Umlenkung der Strömung verhindert werden. Bei zu großen Umlenkungen erhöhen sich Druckverluste und kann die Strömung von dem Leitabschnitt ablösen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann der zumindest eine Leitabschnitt als Umrandung einer eine Kanalinnenwand der Einspritzdüse durchdringende Öffnung ausgebildet sein.
Ist der Leitabschnitt in dieser Art ausgebildet, kann die Umrandung der Öffnung die Strömung gezielt ausrichten. Somit kann zuverlässig eine Änderung der Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung erzielt werden.
Vorzugsweise ist die Umrandung zumindest abschnittsweise, besonders bevorzugt, vollständig gegenüber der Hauptströmungsrichtung nach außen geneigt.
Dabei kann zuverlässig eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung bei Strömung zum Auslass hin aufgeprägt werden.
Vorzugsweise ist ein Neigungswinkel zwischen der Umrandung und der Hauptströmungsrichtung zumindest abschnittsweise, besonders bevorzugt, vollständig, größer gleich 30° und kleiner gleich 90°. Besonders bevorzugt ist der Neigungswinkel größer gleich 40° und kleiner gleich 60°. Besonders bevorzugt beträgt der Neigungswinkel 45°.
Vorzugsweise ist die Öffnung gegenüber der ersten Geometrieachse exzentrisch angeordnet.
Durch die Anordnung als exzentrische Öffnung kann zuverlässig eine Änderung der Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung erzielt werden.
Bevorzugt ist eine Vielzahl solcher Öffnungen, besonders bevorzugt, gleichmäßig beabstandet, entlang einer Umfangsrichtung um eine Geometrieachse angeordnet.
Dadurch kann die Brennstofffluidströmung zuverlässig aufgespalten werden. Im Falle eines gleichmäßigen Abstands entlang einer Umfangsrichtung kann eine besonders homogene Durchmischung mit der Luft gefördert werden.
Vorzugsweise weist der zumindest eine Leitabschnitt den zumindest einen Auslass auf.
Somit kann die Brennstofffluidströmung bis zum Auslass gerichtet werden. Somit kann sich im Auslass selbst zumindest abschnittsweise über den Querschnitt des Auslasses eine Richtungsänderung der Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung zuverlässig einstellen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt kann der zumindest eine Leitabschnitt querschnittsvergrößernd ausgebildet sein.
Durch die Querschnittsvergrößerung kann der Leitabschnitt zuverlässig eine divergente Brennstofffluidströmung erzeugen und eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung der Brennstofffluidströmung aufprägen.
Vorzugsweise weist der zumindest eine Leitabschnitt eine Mittelachse als zweite Geometrieachse auf.
Somit kann sich die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise entlang der zweiten Geometrieachse richten lassen. Das Gestalten des Leitabschnitts derart, dass er eine Geometrieachse aufweist, erleichtert weiterhin dessen Herstellung und kann gleichmäßige Strömungseigenschaften in einem Querschnitt quer zur zweiten Geometrieachse erzielen.
Vorzugsweise ist eine Leitabschnittsströmungsrichtung, die eine Strömungsrichtung einer Freiströmung in dem Leitabschnitt ist, geneigt gegenüber der Hauptströmungsrichtung.
Somit kann das Brennstofffluid zuverlässig mit einer Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung im Leitabschnitt zum Auslass hin strömen.
Besonders bevorzugt wird die Leitabschnittsströmungsrichtung durch die zweite Geometrieachse definiert.
Weist der zumindest eine Leitabschnitt die zweite Geometrieachse auf, kann diese die Leitabschnittsströmungsrichtung definieren.
Vorzugsweise weist im Falle, dass der zumindest eine Leitabschnitt als Umrandung einer eine Kanalinnenwand durchdringende Öffnung ausgebildet ist, die Umrandung die zweite Geometrieachse auf. Dabei ist die zweite Geometrieachse bevorzugt im selben Winkelbereich geneigt, wie oben für die Umrandung angegeben. Auch die Leitabschnittsströmungsrichtung ist in diesem Winkel geneigt.
Dabei kann einerseits eine ausreichende Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung bei Strömung zum Auslass hin aufgeprägt werden, andererseits kann eine zu große Umlenkung der Strömung verhindert werden. Bei zu großen Umlenkungen erhöhen sich Druckverluste und kann die Strömung von dem Leitabschnitt ablösen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass, in Hauptströmungsrichtung gesehen, stromaufwärts des zumindest einen Auslassesein querschnittsverkleinernder Abschnitt vorgesehen ist, an dessen Ende sich ein engster Strömungsquerschnitt befindet. Vorzugsweise ist der Verbrennungsmotor so konfiguriert, dass im engsten Strömungsquerschnitt eine Machzahl von 1 erreicht wird.
Durch Vorsehen eines querschnittsverkleinernden Abschnitts, in Hauptströmungsrichtung gesehen, stromaufwärts des Auslasses kann ein zuverlässiger Druckaufbau erreicht werden. Dieser Druck kann für die Änderung der Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung verwendet werden. Wie oben erwähnt ist es bevorzugt, dass im engsten Querschnitt die kritische Machzahl erreicht wird. Somit kann ein Strömungszustand erreicht werden, der unabhängig vom Gegendruck, also dem Druck stromabwärts des Auslasses ist. Somit kann der Strömungszustand im Wesentlichen abhängig vom Druck des Brennstofffluides und dessen Temperatur eingestellt werden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt ist eine Einspritzdüse für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Aspekte vorgesehen.
Mit solch einer Einspritzdüse können die zuvor beschriebenen Effekte erzielt werden.
Vorzugsweise weist ein Verbrennungsmotor einen bekannten Injektor, besonders bevorzugt, einen Erdgasinjektor auf. Dann können durch das Anschließen einer solchen Einspritzdüse an den Injektor die oben beschriebenen Effekte erzielt werden. Der Verbrennungsmotor kann also durch Anschließen der Einspritzdüse leicht umgerüstet werden, um die obigen Effekte zu erzielen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird die Einspritzdüse in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor verwendet.
Weiterhin ist ein Verfahren vorgesehen, wobei ein oben beschriebener Verbrennungsmotor mit Wasserstoff betrieben wird.
In einem mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotor sind die oben beschrieben Effekte besonders wünschenswert. Der Wasserstoff vermischt sich gut mit der Luft im Zuführkanal, wodurch die Homogenität der Mischung verbessert wird. Der Wasserstoff kann trotzdem nahe am Brennraum in den Zuführkanal eingespritzt werden. Somit können Verbrennungsanomalien, vor allem backfire, verhindert werden.
Auch ist es möglich, einen Dieselmotor, zum Beispiel, einen Dieselmotor eines LKW mit Einspritzdüsen gemäß den obigen Aspekten umzurüsten. Dabei kann in jedem Zuführkanal eines jeden Zylinders die Einspritzdüse gemäß den obigen Aspekten vorgesehen werden. Der Dieselinjektor wird entfernt und in dem Raum des entfernten Dieselinjektors wird zumindest abschnittsweise ein Zündsystem vorgesehen. Die vorliegende Erfindung deckt damit auch einen Umrüstsatz für einen Dieselmotor, bevorzugt einen LKW-Dieselmotor, der eine Einspritzdüse gemäß den obigen Aspekten und ein Zündsystem beinhaltet, sowie ein Umrüstverfahren ab.
Die obigen Aspekte und Effekte werden nun anhand von exemplarischen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben werden.

1 zeigt einen Längsschnitt eines Zuführkanals eines Verbrennungsmotors.
2 zeigt eine vergrößerte Längsschnittansicht einer Einspritzdüse.
3 zeigt eine Längsschnittansicht einer Einspritzdüse gemäß einer Modifikation.
4 zeigt eine Vorderansicht der Einspritzdüse von 3.
5 zeigt eine vergrößerte Längsschnittansicht V eines Endabschnitts der Einspritzdüse von
3.
6 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der Einspritzdüse bezüglich eines Zylinders.
7A zeigt das Einspritzverhalten von Wasserstoff einer geraden Einspritzdüse.
7B zeigt das Einspritzverhalten von Wasserstoff einer Einspritzdüse gemäß einer ersten Ausführungsform.
7C zeigt das Einspritzverhalten von Wasserstoff einer Einspritzdüse gemäß einer zweiten Ausführungsform.

1 zeigt einen Längsschnitt eines Zuführkanals 1 eines Verbrennungsmotors. An einer ersten Seite 1a des Zuführkanals strömt Luft in den Zuführkanal 1 ein. Dem Zuführkanal 1 kann ein Kompressor zum Verdichten der Luft vorgeschaltet sein. An einer zweiten Seite 1 b des Zuführkanals 1 weist der Verbrennungsmotor zumindest einen Zylinder mit einem Brennraum (nicht dargestellt) auf. Der Zuführkanal 1 führt dem Brennraum Luft und darin eingespritztes Brennstofffluid zu.
Das Brennstofffluid wird durch eine Einspritzdüse 2 in den Zuführkanal 1 eingebracht. Wie in 1 zu sehen ist, erstreckt sich die Einspritzdüse 2 im Wesentlichen entlang einer Düsenerstreckungsrichtung (Längsrichtung). Die Düsenerstreckungsrichtung verläuft im Wesentlichen parallel zu einer Erstreckungsrichtung des Zuführkanals 1 an einer Stelle, an der die Einspritzdüse 2 in den Zuführkanal 2 mündet.
2 zeigt eine vergrößerte Längsschnittansicht der Einspritzdüse 2. Die Einspritzdüse 2 ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Einspritzdüse 2 weist an einem linken Ende in 2 einen Einlass 21, in den das Brennstofffluid einströmt, auf. Der Einlass 21 ist Teil eines Zuströmabschnitts 2a, der sich vom Einlass 21 entlang der Düsenerstreckungsrichtung (links-rechts-Richtung in 2) erstreckt. An den Zuströmabschnitt 2a schließt sich in Düsenerstreckungsrichtung ein Endabschnitt 2b an. An einem rechten Ende in 2 weist der Endabschnitt 2b einen Auslass 22 auf.
Wie 2 zu entnehmen ist, weist die Einspritzdüse 2 eine Kanalinnenwand 23 auf, die als Umrandung eines Kanals 230 fungiert. Die Kanalinnenwand 23 im Bereich des Endabschnitts 2b ist ein Leitabschnitt im Sinne der Ansprüche. Hier erstreckt sich der Leitabschnitt von einem Eintritt 24 des Endabschnitts 2b bis zum Auslass 22 der Einspritzdüse 2.
Der Zuströmabschnitt 2a weist weiterhin einen querschnittsverkleinernden Abschnitt 2aa auf, der an seinem rechten Ende in 2 einen engsten Querschnitt 25 aufweist. Der querschnittsverkleinernde Abschnitt 2aa ist konvergent ausgebildet.
Die Kanalinnenwand 23 im Bereich des Endabschnitts 2b ist querschnittsvergrößernd ausgebildet. Mit anderen Worten ist der Leitabschnitt querschnittsvergrößernd bzw. divergent ausgebildet.
Somit ist stromaufwärts des Auslasses 22, in Düsenerstreckungsrichtung gesehen, ein querschnittsverkleinernder Abschnitt 2aa vorgesehen, an dessen Ende sich ein engster Strömungsquerschnitt 25 befindet.
Der Zuströmabschnitt 2a weist eine erste Geometrieachse 2a1 auf, die eine Rotationsachse der rotationssymmetrischen Kanalinnenwand 23 im Bereich des Zuströmabschnitts 2a ist.
Der Endabschnitt 2b weist eine Geometrieachse 2b1 auf, die eine Rotationsachse der rotationssymmetrischen Kanalinnenwand 23 im Bereich des Endabschnitts 2b ist. Die Geometrieachse 2b1 ist eine zweite Geometrieachse. Da die Kanalinnenwand 23 im Endabschnitt 2b divergent ausgebildet ist, ist der Leitabschnitt (im Längsschnitt) gegenüber der ersten 2a1 und zweiten 2b1 Geometrieachse geneigt.
Gemäß der eben beschriebenen Konfiguration der Einspritzdüse 2 strömt ein Brennstofffluid in den Einlass 21 ein und wird dort durch die Kanalinnenwand 23 entlang der ersten Geometrieachse 2a1 gerichtet, so dass sich in ausreichendem Abstand vom Einlass eine Freiströmung entlang einer Hauptströmungsrichtung, die hier in Düsenerstreckungsrichtung weist, ausbildet. Das Brennstofffluid strömt von links nach rechts in 2 entlang der Hauptströmungsrichtung durch den querschnittsverkleinernden Abschnitt 2aa mit dem engsten Querschnitt 25 und strömt dann an dem Eintritt 24 in den Endabschnitt 2b ein. Das Brennstofffluid ist also entlang der ersten Geometrieachse 2a1 entlang der Hauptströmungsrichtung in den Endabschnitt 2b einströmbar. Über den Auslass 22 strömt das Brennstofffluid in den Zuführkanal 1 aus.
Durch die sich aufweitende divergente Kanalinnenwand 23 des Endabschnitts 2b ist der Endabschnitt 2b so konfiguriert, dass sich darin zumindest für einen Teil der Brennstofffluidströmung die Strömungsrichtung gegenüber der Hauptströmungsrichtung zum Auslass 22 hin ändert.
Genauer gesagt, ist der Endabschnitt so konfiguriert, dass zum Auslass 22 hin, hier auch im Auslass 22 selbst, die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung aufweist. Insbesondere richtet sich aufgrund von Wandreibung der der Kanalinnenwand 23 nahe Teil der Brennstofffluidströmung im Wesentlichen tangential zur Kanalinnenwand 23 aus. Die Brennstofffluidströmung divergiert also zumindest in Teilen bezüglich der Hauptströmungsrichtung. Somit ist der Endabschnitt 2b so konfiguriert ist, dass zum Auslass hin die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise eine Komponente radial nach außen gegenüber der Hauptströmungsrichtung aufweist.
Weiterhin ist ein Querschnitt des Auslasses 22 mit dem Querschnitt am Eintritt 24 des Endabschnitts in Hauptströmungsrichtung gesehen nicht deckungsgleich. Hier ist der Querschnitt am Auslass 22 vergrößert gegenüber dem Querschnitt am Eintritt 24 des Endabschnitts.
Die Kanalinnenwand 23 im Endabschnitt 2b fungiert hier als Leitabschnitt, der die Strömung zum Auslass hin leitet, wobei, wie oben beschrieben, der Leitabschnitt vollständig gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt ist. Im Leitabschnitt bildet sich in ausreichendem Abstand von der Kanalinnenwand 23 und vom Eintritt 24 eine Freiströmung entlang der zweiten Geometrieachse 2b1 aus, die eine Leitabschnittsströmungsrichtung ist. In diesem Fall stimmt die Leitabschnittsströmungsrichtung mit der Hauptströmungsrichtung überein. Die Änderung der Strömungsrichtung findet folglich in wandnahen Bereichen nahe der Kanalinnenwand 23 statt. Dabei divergiert im Leitabschnitt die Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise sowohl gegenüber der Hauptströmungsrichtung als auch gegenüber der Leitabschnittsströmungsrichtung. Die Leitabschnittsströmungsrichtung verläuft entlang einer Längsrichtung des Leitabschnitts, die hier mit der Längsrichtung der Einspritzdüse 2 übereinstimmt.
Weiterhin ist hier der Leitabschnitt als eine einzige kontinuierliche Verlängerung einer Kanalinnenwand 23 der Einspritzdüse ausgebildet. Der Leitabschnitt ist also Teil der Kanalinnenwand 23. Mit anderen Worten weist der Kanal 230 keine Verzweigung auf.
Auch ist der Leitabschnitt vollständig divergent ausgebildet.
In 2 ist weiterhin ein Neigungswinkel α zwischen der Hauptströmungsrichtung bzw. der ersten Geometrieachse 2a1 und der Kanalinnenwand 23 im Endabschnitt 2b (Leitabschnitt) im Längsschnitt zu sehen, der hier einen halben Kanalöffnungswinkel darstellt. Der Neigungswinkel α ist bevorzugt über den gesamten Umfang größer gleich 5° und kleiner gleich 45°. Besonders bevorzugt ist der Neigungswinkel α größer gleich 10° und kleiner gleich 20°. Noch bevorzugter beträgt ein Neigungswinkel α 12,5°.
Der Leitabschnitt weist weiterhin den Auslass 22 auf. Auch weist der Leitabschnitt eine Mittelachse 2b1 als zweite Geometrieachse auf.
Effekte des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit der Einspritzdüse 2 werden nun beschrieben.
Wie oben beschrieben strömt das Brennstofffluid in den Zuführkanal 1 eines Zylinders. Somit kann das Brennstofffluid nahe an einem Brennraum eingespritzt werden. Die Verweilzeit des Brennstofffluides in dem Zuführkanal kann folglich reduziert werden.
Weiterhin hat die Einspritzdüse einen Endabschnitt 2b. Der Endabschnitt 2b ist so konfiguriert, dass sich darin zumindest für einen Teil der Brennstofffluidströmung die Strömungsrichtung gegenüber der Hauptströmungsrichtung zum Auslass 22 hin ändert. Dabei wird insbesondere durch Druckabbau der Brennstofffluidströmung bei Strömung zum Auslass 22 hin zumindest teilweise eine Richtungsänderung aufgezwungen. Insbesondere die der Kanalinnenwand 23 nahen Teile der Brennstofffluidströmung werden in ihrer Strömungsrichtung gegenüber der Hauptströmungsrichtung geändert. Durch diese Änderung der Strömungsrichtung kann sich das Brennstofffluid bei Ausströmung in den Zuführkanal 1 gut mit Luft vermischen. Selbst wenn die Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen mit einer Erstreckungsrichtung des Zuführkanals 1 übereinstimmt, kann durch die Richtungsänderung der Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung im Endabschnitt 2b eine Durchmischung des Brennstoffes mit Luft erreicht werden. Somit wird die Mischungshomogenität verbessert.
In der Einspritzdüse 2 wird im Endabschnitt 2b die Strömungsrichtung einer einheitlichen Brennstofffluidströmung aus dem Zuströmabschnitt 2a gegenüber der Hauptströmungsrichtung geändert.
Da der Querschnitt im Auslass 22, in Hauptströmungsrichtung projiziert, nicht vollständig mit dem Querschnitt am Eintritt 24 des Endabschnitts 2b übereinstimmt, wird das Brennstofffluid gezwungen, im Endabschnitt zumindest teilweise von der Hauptströmungsrichtung abzuweichen.
Wie oben beschrieben, weist die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung im Auslass 22 zumindest abschnittsweise eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung auf.
Dabei lässt sich die Durchmischung des Brennstofffluides mit der Luft besonders effektiv realisieren. Die Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung bewirkt, dass das Brennstofffluid gezwungen wird, die Luft zu durchqueren, womit die Durchmischung gefördert wird. Weiterhin wird eine Wirbelbildung mit der Luft, die vom Brennraum angesaugt wird, im Zuführkanal gefördert, was weiterhin die Durchmischung verbessert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass, wie oben beschrieben, Hauptströmungsrichtung und Erstreckungsrichtung des Zuführkanals 1 im Wesentlichen parallel zueinander sind, und somit durch die Querkomponente des ausströmenden Brennstofffluides eine Rotation in die Strömung eingebracht wird.
Weiterhin divergiert die Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung. Dabei wird also neben den bereits zuvor beschriebenen Effekten Platz geschaffen, der für die Durchmischung mit der Luft zur Verfügung steht.
Das Brennstofffluid ist entlang einer ersten Geometrieachse 2a1 entlang der Hauptströmungsrichtung in den Endabschnitt 2b einströmbar.
Somit lässt sich die Strömungsrichtung entlang der Hauptströmungsrichtung zuverlässig erzielen. Das Gestalten des Zuströmabschnitts 2a derart, dass er die Geometrieachse 2a1 aufweist, erleichtert weiterhin dessen Herstellung und kann gleichmäßige Strömungseigenschaften in einem Querschnitt quer zur Geometrieachse 2a1 erzielen.
Durch den Leitabschnitt kann die Änderung der Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung gezielt der Brennstofffluidströmung aufgeprägt werden und die Strömung in gewünschter Weise zum Auslass 22 gerichtet werden.
Der Leitabschnitt weist den Auslass 22 auf.
Somit wird die Brennstofffluidströmung bis zum Auslass 22 gerichtet. Somit kann sich im Auslass 22 selbst zumindest abschnittsweise über den Querschnitt des Auslasses 22 eine Richtungsänderung der Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung zuverlässig einstellen. Insbesondere tritt im Auslass 22 eine divergente Brennstofffluidströmung auf.
Der Leitabschnitt ist querschnittsvergrößernd ausgebildet.
Durch die Querschnittsvergrößerung kann der Leitabschnitt zuverlässig eine divergente Brennstofffluidströmung erzeugen und eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung der Brennstofffluidströmung aufprägen.
Der Leitabschnitt weist eine Mittelachse 2b1 als zweite Geometrieachse auf.
Somit lässt sich die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise, insbesondere in einem Bereich nahe der Mittelachse 2b1, entlang der zweiten Geometrieachse 2b1 richten. Das Gestalten des Leitabschnitts 2b derart, dass er die Geometrieachse 2b1 aufweist, erleichtert weiterhin dessen Herstellung und kann gleichmäßige Strömungseigenschaften in einem Querschnitt quer zur zweiten Geometrieachse erzielen.
Durch Vorsehen des querschnittsverkleinernden Abschnitts 2aa, in Hauptströmungsrichtung gesehen, stromaufwärts des Auslasses 22 kann ein zuverlässiger Druckaufbau erreicht werden. Dieser Druck kann für die Änderung der Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung verwendet werden.
Mit Hinblick auf 3 bis 5 wird eine Modifikation 102 einer Einspritzdüse beschrieben. Die Modifikation weist ähnliche Bestandselemente wie die Einspritzdüse 2 auf. Auf eine ausführliche Beschreibung von Gemeinsamkeiten wird deshalb nachfolgend verzichtet.
3 zeigt eine Längsschnittansicht der Einspritzdüse 102. 4 zeigt eine Vorderansicht der Einspritzdüse 102 von 3 und 5 zeigt eine vergrößerte Längsschnittansicht V eines Endabschnitts der Einspritzdüse 102 von 3.
Auch die Einspritzdüse 102 ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Einspritzdüse 102 weist an einem linken Ende in 3 einen Einlass 1021, in den das Brennstofffluid einströmt, auf. Der Einlass 1021 ist Teil eines Zuströmabschnitts 102a, der sich vom Einlass 1021 entlang der Düsenerstreckungsrichtung (links-rechts-Richtung in 3) erstreckt. An den Zuströmabschnitt 102a schließt sich in Düsenerstreckungsrichtung ein Endabschnitt 102b an. Der Zuströmabschnitt 102a weist weiterhin einen querschnittsverkleinernden Abschnitt 102aa auf, der an seinem rechten Ende in 3 in einen Querschnitt 1025 mündet. Der querschnittsverkleinernde Abschnitt 102aa ist konvergent ausgebildet.
Wie 3 zu entnehmen ist, weist die Einspritzdüse 102 eine Kanalinnenwand 1023 auf, die als Umrandung eines Kanals 10230 fungiert.
Der Zuströmabschnitt 102a weist eine erste Geometrieachse 102a1 auf, die eine Rotationsachse der rotationssymmetrischen Kanalinnenwand 1023 im Bereich des Zuströmabschnitts 102a ist.
Im Gegensatz zur Einspritzdüse 2 der 1 bis 2, ist die Einspritzdüse 102 an einem stirnseitigen Ende (ein dem Zuführkanal 1 zugewandtes Ende) 102c in Düsenerstreckungsrichtung (rechte Seite in 3) im Wesentlichen verschlossen. Anders als in der Einspritzdüse 2 stellt sich bei der Einspritzdüse 102 der Leitabschnitt mit dem Auslass nicht als kontinuierliche Verlängerung einer Kanalinnenwand dar, sondern eine Vielzahl von Auslässen 1022a sind in dem Endabschnitt 102b vorgesehen.
Wie insbesondere 4 zu entnehmen ist, sind bei der Einspritzdüse 102 sechs Auslässe 1022a vorgesehen, denen jeweilige Leitabschnitte 1022b zugeordnet sind. Die Leitabschnitte 1022b sind jeweils als Umrandung einer die Kanalinnenwand 1023 durchdringende Öffnung 1022 ausgebildet. Die Öffnungen 1022 durchdringen die Kanalinnenwand 1023 so, dass, in Hauptströmungsrichtung gesehen, stromabwärts eines Eintritts 1022d des Leitabschnitts eine Stauzone gebildet werden kann, in der sich das Brennstofffluid aufstaut (siehe 5). Die sechs Öffnungen 1022 sind entlang einer Umfangsrichtung um die erste Geometrieachse 102a1 gleichmäßig beabstandet in einem Umfangswinkel β. Der Umfangswinkel β zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Öffnungen 1022 liegt vorzugsweise zwischen 30° und 90°, beträgt vorzugsweise wie hier 60° (sechs Öffnungen). Die Öffnungen 1022 sind gegenüber der ersten Geometrieachse 102a1 exzentrisch angeordnet.
Weiterhin weisen die Öffnungen 1022 jeweils eine Mittelachse 1022c (Rotationsachse) auf, die gleichzeitig zweite Mittelachsen 1022c der jeweiligen Leitabschnitte 1022b sind. Die Mittelachsen 1022c sind im Längsschnitt jeweils gegenüber der ersten Geometrieachse 102a1 in einem Neigungswinkel γ geneigt. Zur Kenntnis zu nehmen ist, dass hier auch der Endabschnitt eine Mittelachse aufweist, die mit der Mittelachse 102a1 übereinstimmt, und die Mittelachsen 1022c auch gegenüber dieser Mittelachse geneigt sind.
Die Einspritzdüse 102 ist, wie in 3 gezeigt, an einen Injektor 3 angeschlossen.
Gemäß der eben beschriebenen Konfiguration der Einspritzdüse 102 strömt ein Brennstofffluid von dem Injektor 3 in den Einlass 1021 ein und wird dort durch die Kanalinnenwand 1023 entlang der ersten Geometrieachse 102a1 gerichtet, so dass sich in ausreichendem Abstand vom Einlass eine Freiströmung entlang einer Hauptströmungsrichtung, die hier in Düsenerstreckungsrichtung weist, ausbildet. Das Brennstofffluid strömt von links nach rechts in 3 entlang der Hauptströmungsrichtung durch den querschnittsverkleinernden Abschnitt 102aa mit dem Querschnitt 1025 und strömt dann an einem Eintritt 1024 in den Endabschnitt 102b ein. Das Brennstofffluid ist also entlang der ersten Geometrieachse 102a1 entlang der Hauptströmungsrichtung in den Endabschnitt 102b einströmbar. Das stirnseitig verschlossene Ende 102c fungiert als eine Art Prallplatte, an dem sich das entlang der Hauptströmungsrichtung strömende Fluid aufstaut und damit die Stauzone stromabwärts des Eintritts 1022d des Leitabschnitts bildet. Zumindest ein Teil des Brennstofffluides wird durch den Staudruck zu den Öffnungen 1022 im Endabschnitt 102b umgelenkt, wo es schließlich durch die Umrandung 1022b (Leitabschnitt) gerichtet wird und dann durch die Auslässe 1022a in den Zuführkanal 1 ausströmt.
Durch die die Kanalinnenwand 1023 durchdringenden Öffnungen 1022, deren Umrandungen 1022b als Leitabschnitte fungieren und gegenüber der Hauptströmungsrichtung entsprechend den Mittelachsen 1022c geneigt sind, ist der Endabschnitt 102b so konfiguriert, dass sich darin zumindest für einen Teil der Brennstofffluidströmung die Strömungsrichtung gegenüber der Hauptströmungsrichtung zum Auslass 1022a hin ändert.
Genauer gesagt, ist der Endabschnitt so konfiguriert, dass zum Auslass 1022a hin, hier auch im Auslass 1022a selbst, die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung aufweist. Insbesondere richtet sich aufgrund von Wandreibung die Brennstofffluidströmung im Wesentlichen tangential zur Umrandung 1022b aus. Auch hier divergiert also die Brennstofffluidströmung zumindest in Teilen. Somit ist der Endabschnitt 102b so konfiguriert ist, dass zum Auslass hin die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise eine Komponente radial nach außen gegenüber der Hauptströmungsrichtung aufweist. Die Öffnungen 1022, genauer gesagt die Umrandungen 1022b, für sich genommen sind hier nicht divergent ausgebildet. Jedoch sind die Vielzahl von Öffnungen folglich durch ihre Mittelachsen 1022c/Längsrichtungen divergent gegenüber der Hauptströmungsrichtung angeordnet. Die Leitabschnitte 1022b sowie die Mittelachsen 1022c sind gegenüber der Hauptrichtung nach außen geneigt.
Weiterhin ist ein Querschnitt des Auslasses 1022a mit dem Querschnitt am Eintritt 1024 des Endabschnitts 1024 in Hauptströmungsrichtung gesehen nicht deckungsgleich. Hier ist der Querschnitt am Auslass 1022a jeder Öffnung 1022 gegenüber dem Querschnitt am Eintritt 1024 des Endabschnitts 102b verkleinert und geneigt.
Die Umrandungen 1022b der Öffnungen 1022 im Endabschnitt 102b fungieren hier als Leitabschnitt, der die Strömung zu den jeweiligen Auslässen 1022a hin leitet, wobei, wie oben beschrieben, der Leitabschnitt 1022b (die Umrandung) vollständig gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt ist.
In 5 ist weiterhin ein Neigungswinkel zwischen der Hauptströmungsrichtung bzw. der ersten Geometrieachse 102a1 und der Umrandung 1022b im Endabschnitt 102b zu sehen, der einem Neigungswinkel γ zwischen der ersten Geometrieachse 102a1 und den Mittelachsen 1022c gleicht. Hier ist ein Neigungswinkel γ zwischen der Umrandung und der Hauptströmungsrichtung vorzugsweise und zumindest abschnittsweise größer gleich 30° und kleiner gleich 90°. Besonders bevorzugt ist der Neigungswinkel größer gleich 40° und kleiner gleich 60°. Besonders bevorzugt beträgt der Neigungswinkel 45°.
Der Leitabschnitt weist weiterhin den Auslass 1022a auf. Auch weist der Leitabschnitt eine Mittelachse 1022c als zweite Geometrieachse auf.
Effekte des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit der Einspritzdüse 102 werden nun beschrieben.
Wie oben beschrieben strömt das Brennstofffluid in den Zuführkanal 1 eines Zylinders. Somit kann das Brennstofffluid nahe an einem Brennraum eingespritzt werden. Die Verweilzeit des Brennstofffluides in dem Zuführkanal kann folglich kurz gehalten werden.
Weiterhin hat die Einspritzdüse einen Endabschnitt 102b. Der Endabschnitt 102b ist so konfiguriert, dass sich darin zumindest für einen Teil der Brennstofffluidströmung die Strömungsrichtung gegenüber der Hauptströmungsrichtung zum Auslass 1022a hin ändert. Dabei wird insbesondere durch Druckabbau der Brennstofffluidströmung bei Strömung zum Auslass 1022a hin zumindest teilweise eine Richtungsänderung aufgezwungen. Durch diese Änderung der Strömungsrichtung kann sich das Brennstofffluid bei Ausströmung in den Zuführkanal 1 gut mit Luft vermischen. Selbst wenn die Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen mit einer Erstreckungsrichtung des Zuführkanals 1 übereinstimmt, kann durch die Richtungsänderung der Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung im Endabschnitt 102b eine Durchmischung des Brennstoffes mit Luft erreicht werden. Somit wird die Mischungshomogenität verbessert.
In der Einspritzdüse 102b wird die Brennstofffluidströmung von einer einheitlichen Strömung im Eintritt 1024 des Endabschnitts 102b in mehrere Einzelströmungen durch die die Kanalinnenwand 1023 durchdringenden Öffnungen 1022 aufgespalten bzw. verzweigt, wobei zwischen die aufgespaltenen Abschnitte Luft strömen kann. Da der Querschnitt im Auslass 1022a, in Hauptströmungsrichtung projiziert, nicht vollständig mit dem Querschnitt am Eintritt 1024 des Endabschnitts 102b übereinstimmt, wird das Brennstofffluid gezwungen, im Endabschnitt zumindest teilweise von der Hauptströmungsrichtung abzuweichen.
Wie oben beschrieben weist die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung im Auslass 1022a zumindest abschnittsweise eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung auf.
Dabei lässt sich die Durchmischung des Brennstofffluides mit der Luft besonders effektiv realisieren. Die Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung bewirkt, dass das Brennstofffluid gezwungen wird, die Luft zu durchqueren, womit die Durchmischung gefördert wird. Weiterhin wird eine Wirbelbildung mit der Luft, die vom Brennraum angesaugt wird, im Zuführkanal gefördert, was weiterhin die Durchmischung verbessert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass, wie oben beschrieben, Hauptströmungsrichtung und Erstreckungsrichtung des Zuführkanals 1 im Wesentlichen parallel zueinander sind, und somit durch die Querkomponente des ausströmenden Brennstofffluides eine Rotation in die Strömung eingebracht wird.
Weiterhin divergiert die Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung, veranlasst durch den geneigten Leitabschnitt 1022b. Dabei wird also neben den bereits zuvor beschriebenen Effekten Platz geschaffen, der für die Durchmischung mit der Luft zur Verfügung steht.
Das Brennstofffluid ist entlang einer ersten Geometrieachse 102a1 entlang der Hauptströmungsrichtung in den Endabschnitt 102b einströmbar.
Somit lässt sich die Strömungsrichtung entlang der Hauptströmungsrichtung zuverlässig erzielen. Das Gestalten des Zuströmabschnitts 102a derart, dass er die Geometrieachse 102a1 aufweist, erleichtert weiterhin dessen Herstellung und kann gleichmäßige Strömungseigenschaften in einem Querschnitt quer zur Geometrieachse erzielen.
Durch den Leitabschnitt 1022b kann die Änderung der Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung gezielt der Brennstofffluidströmung aufgeprägt werden und die Strömung in gewünschter Weise zum Auslass 1022a gerichtet werden.
Der Leitabschnitt 1022b weist den Auslass 1022a auf.
Somit wird die Brennstofffluidströmung bis zum Auslass 1022a gerichtet. Somit kann sich im Auslass 1022a selbst zumindest abschnittsweise über den Querschnitt des Auslasses 1022a eine Richtungsänderung der Brennstofffluidströmung gegenüber der Hauptströmungsrichtung zuverlässig einstellen.
Der Leitabschnitt 1022b weist jeweils eine Mittelachse 1022c als zweite Geometrieachse auf.
Somit lässt sich die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise, insbesondere in einem Bereich nahe der Mittelachse 1022c, entlang der zweiten Geometrieachse 1022c richten. Somit ist eine Leitabschnittsströmungsrichtung gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt. Das Gestalten des Leitabschnitts 1022b derart, dass er die Geometrieachse 1022c aufweist, erleichtert weiterhin dessen Herstellung beispielsweise als Bohrung, und kann gleichmäßige Strömungseigenschaften in einem Querschnitt quer zur zweiten Geometrieachse 1022c erzielen.
Durch Vorsehen des querschnittsverkleinernden Abschnitts 102aa, in Hauptströmungsrichtung gesehen, stromaufwärts der Auslässe 1022a kann ein zuverlässiger Druckaufbau erreicht werden.
Es ist bevorzugt, dass in einem engsten Querschnitt, der sich im Injektor 3 oder in der Düse befindet, die kritische Machzahl erreicht wird, um einen superkritischen Strömungszustand zu erzielen. Dazu ist in der Düse 2 stromabwärts des konvergenten (verjüngenden) Abschnitts 2aa mit dem engsten Querschnitt eine Querschnittsvergrößerung vorgesehen. Bei der Einspritzdüse 2 ist der Endabschnitt 2b (Kanalinnenwand 23 davon) querschnittsvergrößernd ausgebildet. Somit ist die Querschnittsfläche des Auslasses 22 größer als eine Querschnittsfläche des engsten Querschnitts 25 und größer als eine Querschnittsfläche des Eintritts 24 des Endabschnitts 2b.
Bei der Einspritzdüse 102 kann jede einzelne Öffnung 1022 eine kleinere Querschnittsfläche als der engste Querschnitt, der im Injektor 3 oder in der Einspritzdüse 102 vorgesehen ist, aufweisen. Um die kritische Machzahl im Querschnitt 1025 zu erreichen, ist es deshalb notwendig, dass die Summe der Querschnittsflächen aller Öffnungen 1022 (Auslässe 1022a) größer ist als die Querschnittsfläche des engsten Querschnitts. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass nicht das stirnseitige Ende 102c axial von den Öffnungen 1022c durchdrungen wird, sondern ein Peripheriewandabschnitt 1023a der Kanalinnenwand 1023 von den Öffnungen 1022c durchdrungen wird, die sich zum stirnseitigen Ende 102c verjüngt.
Wie bereits erwähnt, ist es bevorzugt, dass der Strömungszustand superkritisch ist. Dafür muss ein Druckverhältnis zwischen einem Druck p1 im Injektor 3 und einem Druck p2 im engsten Querschnitt größer gleich als ein kritisches Druckverhältnis sein, für Wasserstoff 0,528. Das erfordert, dass der Druckverlust der an den Öffnungen (Auslässen) 1022 durch die Querschnittsänderung entsteht, nicht zu groß wird. Deshalb ist es bevorzugt, dass ein Querschnittsverhältnis zwischen der Summe aller Querschnittsflächen der Löcher 1022 und der Querschnittsfläche des engsten Querschnitts größer gleich 3 ist. Mit Erreichen der kritischen Machzahl kann ein Strömungszustand erreicht werden, der unabhängig vom Gegendruck, also dem Druck stromabwärts des Auslasses ist. Somit kann der Strömungszustand im Wesentlichen abhängig vom Druck des Brennstofffluides und dessen Temperatur eingestellt werden.
Während durch die kontinuierliche Querschnittsveränderung der ersten Düse 2 der engste Querschnitt 25 in der Einspritzdüse 2 sitzen kann, befindet sich für eine superkritische Auslegung im Falle der Einspritzdüse 102 der engste Querschnitt im Injektor 3. Folglich ist also der Querschnitt 1025 stets größer als der engste Querschnitt im Injektor.
Wie in 3 zu sehen ist, kann die Einspritzdüse 102 als Aufsatz für einen bekannten Erdgasinjektor 3 mit der Maßgabe verwendet werden, dass der Querschnitt 1025 stets größer ist als der engste Querschnitt im Injektor 3. In solch einem Injektor-Einspritzdüsensystem mit der Einspritzdüse 102 sitzt der engste Querschnitt im Injektor 3. Auch die Düse 2 kann als Aufsatz verwendet werden oder kann integral mit dem Injektor 3 ausgebildet sein.
Der Effekt der Erfindung wird beispielhaft durch 7A, 7B und 7C gezeigt. 7A zeigt das Einspritzverhalten von Wasserstoff einer geraden Einspritzdüse. Genauer gesagt, ist die Kanalinnenwand der Einspritzdüse durchgängig gerade. 7B zeigt das Einspritzverhalten von Wasserstoff einer Einspritzdüse 2 mit einem Neigungswinkel α von 12,5°. 7C zeigt das Einspritzverhalten von Wasserstoff einer Einspritzdüse 102 mit einem Neigungswinkel γ von 45° und einem Umfangswinkel β von 60°. Die Figuren zeigen jeweils das Einspritzverhalten zwischen einem Kurbelwinkel von 50° und 90°, also während des Ansaugens von Luft in den Brennraum. Wie deutlich in 7 zu erkennen ist, bewirken beide Einspritzdüsen 2 und 102 eine deutlich verbesserte Durchmischung von Luft und Wasserstoff. So weitet sich ein Wasserstoffstrom 10, der sich durch den eingespritzten Wasserstoff bildet, in 7A so gut wie nicht auf. In 7B und 7C ist dagegen deutlich zu erkennen, wie sich der Wasserstoffstrom 10 aufweitet (divergiert). Sowohl bei der Düse 2 als auch bei der Düse 102 kann sich Luft zwischen den Wasserstoffstrom 10 mischen. Während in 7B der Wasserstoffstrom 10 von einem divergenten Strahl gebildet wird, wird der Wasserstoffstrom 10 in 7C von mehreren zueinander divergenten Einzelstrahlen gebildet. Die Einspritzdüse 102 weist gegenüber der Einspritzdüse 2 den Vorteil auf, dass nach einem Kurbelwinkel, der ein vorgesehenes Ende des Einspritzvorgangs definiert, weniger Leckage von Brennstofffluid (Wasserstoff) auftritt. Dies ist auf die größere Querschnittsänderung an jeder Öffnung 1022 zurückzuführen und ist besonders vorteilhaft bei einem Betrieb mit Wasserstoff, da dieser ein sehr flüchtiges Gas ist.
Weitere Modifikationen der Einspritzdüse werden im Folgenden dargelegt.
Um eine Ablösung im Endabschnitt zu vermeiden, kann zusätzlich zu Brennstofffluid, das den Zuströmabschnitt durchströmt, Brennstofffluid unter hohem Druck vom Injektor 3 direkt in den Endabschnitt eingespritzt werden, wobei der Zuströmabschnitt umgangen wird.
Die Geometrien der Einspritzdüse sind nicht festgelegt. Die Einspritzdüse muss nicht rotationssymmetrisch sein. Es müssen auch nicht zwingend Geometrieachsen vorgesehen werden, solange eine Hauptströmungsrichtung vorliegt. Weiterhin kann im Leitabschnitt beispielsweise auch lediglich ein Sektor querschnittsverändernd ausgebildet sein. In der Einspritzdüse 2 ist der Leitabschnitt eine kontinuierliche Verlängerung der Kanalinnenwand 23, wobei die Mittelachse 2b1 des Endabschnitts auch die Mittelachse des Leitabschnitts ist. Die Mittelachse 2b1 des Leitabschnitts ist nicht gegenüber der Mittelachse/Hauptströmungsrichtung geneigt. Die Leitabschnittsströmungsrichtung ist bei der Einspritzdüse 2 also nicht gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt. Allerdings ist der Leitabschnitt selbst divergent und damit geneigt gegenüber seiner Mittelachse 2b1/Hauptströmungsrichtung ausgebildet. In der Einspritzdüse 102 ist der Leitabschnitt 1022b keine kontinuierliche Verlängerung der Kanalinnenwand 1023. Die Mittelachse 1022c des Leitabschnitts 1022b ist hingegen gegenüber der Mittelachse/Hauptströmungsrichtung geneigt, während der Leitabschnitt selbst nicht divergent ausgebildet ist. Die Leitabschnittsströmungsrichtung ist bei der Einspritzdüse 102 also gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt. Es ist allerdings auch möglich, dass der Leitabschnitt nicht querschnittsverändernd ausgebildet ist und eine kontinuierliche Verlängerung einer Kanalinnenwand ist. Zum Beispiel kann der Endabschnitt einen Knick aufweisen, wobei sich die Querschnittsform, in Hauptströmungsrichtung gesehen, stromaufwärts des Knicks und stromabwärts des Knicks nicht ändert. In diesem Fall ist eine Mittelachse des Leitabschnitts auch geneigt gegenüber einer Mittelachse des Zuströmabschnitts bzw. der Hauptströmungsrichtung, wobei die Leitabschnittsströmungsrichtung gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt ist.
Es ist ferner möglich, einen unterkritischen Strömungszustand vorzusehen. Der Leitabschnitt kann weiterhin auch in Form von wendelförmigen Kanälen zum Beispiel in dem Peripheriewandabschnitt 1023a vorgesehen sein. Dabei wird bereits im Leitabschnitt eine Rotation der Brennstofffluidströmung ausgebildet.
Die Vielzahl von Öffnungen 1022 müssen nicht entlang eines gleichmäßigen Umfangswinkels beabstandet sein. Abhängig von einer Geometrie eines Zuführkanals können die Löcher auch asymmetrisch angeordnet sein. Die Vielzahl von Öffnungen 1022 können auch mehrreihig entlang verschiedener Radien um eine Geometrieachse vorgesehen sein. Der Neigungswinkel sowohl der Umrandungen als auch der Mittelachsen von einzelnen Öffnungen 1022 kann ebenfalls variieren.
Eine bevorzugte Anordnung der Einspritzdüse im Zuführkanal wird mit Hilfe von 6 beschrieben.
Ein Zylinder 4 eines Verbrennungsmotors 5 weist eine Mittelachse 41 auf. Im Zylinder 4 wird durch einen Zylinderkopf 6 an der Oberseite und einen Kolben 9 an der Unterseite ein Brennraum 7 gebildet. Ein Ventil 8 ist zum Schließen und Öffnen eines Einlasses 61 des Brennraums 7, der an der zweiten Seite 1b des Zuführkanals 1 liegt, vorgesehen. Eine innere virtuelle Mantelfläche 42 um die Mittelachse 41 tangiert einen Punkt eines Querschnitts des Einlasses 61, der radial am nächsten zur Mittelachse 41 liegt. Vorzugsweise liegt der Auslass der Einspritzdüse 2, 102 innerhalb einer äußeren virtuellen Mantelfläche 43, die an einem Radius um die Mittelachse 41 angeordnet ist, der sich aus dem Radius der inneren virtuellen Mantelfläche 42 und dem Dreifachen der größten Querschnittsabmessung (hier Durchmesser 62) ergibt. Dabei kann die Einspritzdüse zuverlässig nahe am Einlass 61 des Brennraums 7 angeordnet werden.
Für die Erfindung kann ein Dieselmotor umgerüstet werden. Für den Betrieb mit Wasserstoff ist vorzugsweise ein Verdichtungsverhältnis im Brennraum im Bereich von 10:1 bis 13:1 erwünscht.
Bezugszeichenliste

1: Zuführkanal
1a: erste Seite Zuführkanal
1b: zweite Seite Zuführkanal
2, 102: Einspritzdüse
2a, 102a: Zuströmabschnitt
2aa, 102aa: querschnittsverkleinernder Abschnitt
2a1, 102a1: erste Geometrieachse
2b, 102b: Endabschnitt
2b1, 1022c: zweite Geometrieachse
102c: stirnseitiges Ende Einspritzdüse
3: Injektor
4: Zylinder
5: Verbrennungsmotor
6: Zylinderkopf
7: Brennraum
8: Ventil
9: Kolben
10: Wasserstoffstrom
21, 1021: Einlass Einspritzdüse
22, 1022a: Auslass Einspritzdüse
23, 1023: Kanalinnenwand
1023a: Peripheriewandabschnitt Kanalinnenwand
24, 1024: Eintritt Endabschnitt
25, 1025: (engster) Querschnitt
41: Mittelachse Zylinder
42: innere virtuelle Mantelfläche
43: äußere virtuelle Mantelfläche
61: Einlass Brennraum
62: größte Querschnittsabmessung Einlass
230, 10230: Kanal
1022: Öffnung
1022b: Umrandung Öffnung
1022d: Eintritt Leitabschnitt
α: Neigungswinkel Kanalinnenwand
β: Umfangswinkel Öffnungen
γ: Neigungswinkel Öffnungen/Mittelachse der Öffnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202005003510 U1 [0003]

Claims

Verbrennungsmotor (5) vorzugsweise zum Betrieb mit Wasserstoff, umfassend: zumindest einen Zylinder (4) mit einem Brennraum (7); zumindest einen Zuführkanal (1) zum Zuführen von Luft und einem darin eingespritzten Brennstofffluid, vorzugsweise Wasserstoff, an den Brennraum (7); und zumindest eine Einspritzdüse (2, 102), die einen Endabschnitt (2b, 102b) mit zumindest einem Auslass (22, 1022a) aufweist, wobei das Brennstofffluid entlang einer Hauptströmungsrichtung in den Endabschnitt (2b, 102b) einströmbar ist und über den zumindest einen Auslass (22, 1022a) in den Zuführkanal (1) ausströmbar ist, wobei der Endabschnitt (2b, 102b) so konfiguriert ist, dass sich darin zumindest für einen Teil der Brennstofffluidströmung die Strömungsrichtung gegenüber der Hauptströmungsrichtung zum Auslass (22, 1022a) hin ändert.
Der Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei, wenn lediglich ein Auslass (22) vorgesehen ist, die Querschnittsfläche des Auslasses (22) größer ist als eine Querschnittsfläche eines engsten Querschnitts (25), in Hauptströmungsrichtung gesehen, stromaufwärts des Auslasses (22) und vorzugsweise größer ist als eine Querschnittsfläche eines Eintritts (24) des Endabschnitts (2b), oder, wenn eine Vielzahl von Auslässen (1022a) vorgesehen ist, die Summe aller Querschnittsflächen der Vielzahl von Auslässen (1022a) größer ist als eine Querschnittsfläche eines engsten Querschnitts , in Hauptströmungsrichtung gesehen, stromaufwärts der Vielzahl von Auslässen (1022a) und vorzugsweise größer ist als eine Querschnittsfläche eines Eintritts (1024) des Endabschnitts (102b).
Der Verbrennungsmotor (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Querschnitt des Auslasses (22, 1022a) mit einem Querschnitt an einem Eintritt (24, 1024) des Endabschnitts (2b, 102b), in Hauptströmungsrichtung gesehen, nicht deckungsgleich ist.
Der Verbrennungsmotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Endabschnitt (2b, 102b) so konfiguriert ist, dass zum Auslass (22, 1022a) hin die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise eine Komponente quer zur Hauptströmungsrichtung aufweist.
Der Verbrennungsmotor (5) nach Anspruch 4, wobei der Endabschnitt (2b, 102b) so konfiguriert ist, dass zum Auslass (22, 1022a) hin die Strömungsrichtung der Brennstofffluidströmung zumindest abschnittsweise eine Komponente nach außen gegenüber der Hauptströmungsrichtung aufweist.
Der Verbrennungsmotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Brennstofffluid entlang einer Geometrieachse (2a1, 102a1) entlang der Hauptströmungsrichtung in den Endabschnitt (2b, 102b) einströmbar ist.
Der Verbrennungsmotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Endabschnitt (2b, 102b) weiterhin zumindest einen Leitabschnitt (23, 1022b) aufweist, der die Strömung zum Auslass (22, 1022a) hin leitet, vorzugsweise der zumindest eine Leitabschnitt (23, 1022b) zumindest abschnittsweise, besonders bevorzugt, vollständig gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt ist.
Der Verbrennungsmotor (5) nach Anspruch 7, wobei der Leitabschnitt als kontinuierliche Verlängerung einer Kanalinnenwand (23) der Einspritzdüse (2) ausgebildet ist.
Der Verbrennungsmotor (5) nach Anspruch 7, wobei der zumindest eine Leitabschnitt (1022b) als Umrandung einer eine Kanalinnenwand (1023) der Einspritzdüse (102) durchdringende Öffnung (1022) ausgebildet ist, bevorzugt eine Vielzahl solcher Öffnungen (1022), besonders bevorzugt, gleichmäßig beabstandet, entlang einer Umfangsrichtung um eine Geometrieachse (102a1) angeordnet ist.
Der Verbrennungsmotor (5) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der zumindest eine Leitabschnitt (23, 1022b) den zumindest einen Auslass (22, 1022a) aufweist.
Der Verbrennungsmotor (5) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der zumindest eine Leitabschnitt (23) querschnittsvergrößernd ausgebildet ist.
Der Verbrennungsmotor (5) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der zumindest eine Leitabschnitt (23, 1022b) eine Geometrieachse (2b1, 1022c) aufweist, vorzugsweise die Geometrieachse (2b1, 1022c) des Leitabschnitts (23, 1022b) gegenüber der Hauptströmungsrichtung geneigt ist.
Einspritzdüse (2, 102) für einen Verbrennungsmotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung einer Einspritzdüse (2, 102) nach Anspruch 13 in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor (5).
Verfahren, wobei ein Verbrennungsmotor (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit Wasserstoff betrieben wird.