DE3241679A1

DE3241679A1 - Einspritzeinrichtung, insbesondere bei direkteinspritzenden dieselmotoren

Info

Publication number: DE3241679A1
Application number: DE19823241679
Authority: DE
Inventors: Klaus 5300 Bonn Bäumer; Herbert 5000 Köln Wiegand
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1982-11-11
Filing date: 1982-11-11
Publication date: 1984-05-17
Also published as: GB8330035D0; FR2536123A1; JPS59103961A; GB2129875A; DE3241679C2; GB2129875B; US4595144A; FR2536123B1

Abstract

Die Einspritzeinrichtung weist einen Düsenkörper (10) mit einem flüssigkeitsgesteuerten Nadelventil (18) auf. Am vorderen Ende des Düsenkörpers (10) befinden sich bei einer Einlochdüse ein Spritzloch (12), bei einer Mehrlochdüse mehrere Spritzlöcher (12; 13), die in einem beliebigen Winkel zueinander stehen können. Im engsten Querschnitt der Spritzlöcher (12; 13) führen Saugschlitze (14a; 14b) in den Brennraum (15). Von dem aus den Spritzlöchern (12; 13) austretenden Kraftstoffstrahl wird Luft aus dem Brennraum (15) angesaugt. Diese Luft vermischt sich im engsten Querschnitt der Spritzlöcher (12; 13) mit dem Kraftstoff, so daß am Fuße des Einspritzstrahles eine Zweiphasenströmung mit besonders günstigen Eigenschaften für die anschließende Gemischbildung vorliegt.

Description

Wiegand, Herbert, Dipl.-Ing.
Barbarastr. 29
5000 Köln 90

Bäumer, Klaus, Dipl.-Ing.
Buschweg 20
5300 Bonn 3

Einspritzeinrichtung, insbesondere bei direktein-

Die Erfindung betrifft eine Einspritzeinrichtung, insbesondere bei direkteinspritzenden Dieselmotoren.

Bei der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Dieselmotors ist anzustreben, durch die Saugwirkung des Dieseleinspritzstrahles im engsten Querschnitt eines Spritzloches hochverdichtete Luft aus dem Brennraum anzusaugen und als Zweiphasenströmung direkt am Austritt des Spritzloches oder über einen diesem Spritzloch anschließenden Diffusor mit zylindrischem Teil in den Brennraum einzuleiten, damit während des Einspritzvorganges kontinuierlich ein zündfähiges Gemj sch entsteht.

Es ist bekannt, daß zur Erzielung eines zündfähigen Gemisches im Dieselmotor hohe Luftgeschwindigkeiten anzustreben sind, die durch den Impulsaustausch zwischen Einspritzstrahl und Luft und eine entsprechende Luftführung erzielt werden sollen. Dabei hat sich gezeigt, daß am Impuls- und Stoffaustausch hauptsächlichdie Strahlspitze beteiligt ist und nach bisherigen Beobachtungen

eine Steigerung des Einspritzdruckes [1],[2] sich z.T. nicht in einer Erhöhung, sondern sogar in einer Verminderung der Strahlspitzengeschwindigkeit auswirkte. Aus Motorversuchen ist bekannt, daß Hochdruckeinspritzung beim dieselmotorischen Prozeß zu einer geringeren NO -Bildung führt. Insbesondere konnte aufgrund bisheriger Untersuchungen [3] kein Einfluß des Einspritzdruckes auf den Zündverzug nachgewiesen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Saugwirkung des Einspritzstrahles Luft im engsten Querschnitt'des Spritzloches kontinuierlich anzusaugen und den im Εϊ·η-spritzstrahl enthaltenen Impuls gezielt zur Erzeugung einer Zweiphasenströmung zu nutzen. Damit soll auch der ■ bei der Hochdruckeinspritzung [1]_r[4] zur Verfügung stehende, größere Strahlimpuls zu einer Verbesserung der Gemischaufbereitung herangezogen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Einspritzstrahl im engsten Querschnitt eines Spritzloches über eine Schlitzdüse hochverdichtete Luft aus dem Brennraum eines Dieselmotors ansaugt und am Ende des Spritzloches, das mit einem Diffusor mit zylindrischem Teil versehen sein kann, als Zweiphasenströmung in den Brennraum eintritt. Wie bei der in [5] beschriebenen Einspritzeinrichtung wird beim Schließen des Nadelventils der Treibstrahl schlagartig unterbrochen. Die langsamer nachlassende Sogwirkung der Luft dürfte aber auch hier noch ausreichend sein, etwaige Restkraftstoffmengen aus Spritzloch und Sackloch herauszuziehen und in den Brennraum noch während des Verbrennungsvorganges einzublasen.

Während die Einspritzeinrichtung für Dieselmotoren nach [5] entsprechend ihrer Geometrie auch für größere anzusaugende Luftmengen geeignet ist, ist dies bei der nach dem Venturi-

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verfahren arbeitenden Einspritzeinrichtung nicht mehr der Fall, da hier prinzipmäßig die Saugschlitze im engsten Querschnitt des Spritzloches liegen müssen. Andererseits ist aus dem Betreiben von Venturidüsen bekannt, daß die Sogwirkung schlagartig nach dem Aufbau der Treibstrahlströmung eintritt und ein Abreißen der Saugstrahlströmung, wie dies bei Abweichung der Betriebsbedingungen vom Auslegungspunkt bei Ejektoren leicht, möglich ist, nicht eintritt [6].

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt Fjg. 1 einen Längsschnitt durch eine Einspritzeinrichtung, bestehend aus einem Düsenkörper (10) mit Nadelventil (18), Sackloch (11), einem zentralen Spritzloch

(12) und einem unter einem beliebigen Winkel zur Düsenachse angeordneten Spritzloch (13) . In den Spritzlöcherr (12) und (13) befinden sich im engsten Querschnitt Saugschlitze (14a;14b), aus denen der Kraftstoffeinspritzstrahl Luft aus dem Brennraum (15) ansaugt. Am Ende der Spritzlöcher (12) und (13) tritt der Einspritzstrahl· infolge der Luftzumischung als Zweiphasenströmung in den Brennraum (15) ein. Um optimale Gemischbildungsbedingungen in den Spritzlöchern (12) und (13) zu erreichen, kann diesen eine diffusorartige Erweiterung (16a;16b) mit zylindrischem Teil (17a;17b) nachgeschaltet werden. Fig. zeigt eine mögliche Anordnung der Saugschlitze (14a) um das Spritzloch (12). In Fig. 3 ist eine besonders strömungsgünstige Anordnung der Saugschlitze (14a) um das Spritzloch (12) dargestellt, die. fertigungstechnisch allerdings einen etwas größeren Aufwand erfordert.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die kontinuierliche Anlagerung von Luft an den Kraftstoffstrahl bei kleiner Relativgeschwindigkeit eine Zweiphasenströmung ent steht, bei der

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ein schlagartiges Abbrennen, wie es nach Einbringung einer größeren Kraftstoffmenge in einen Brennraum entstehen kann, vermieden wird. Bekanntlich führt schlagartiges Abbrennen zu einem steilen Druckanstieg mit hohem Spitzendruck und hoher NO -Emission.

Mit Hilfe einer Einspritzeinrichtung nach dem Venturi-Prinzip soll erreicht werden, daß wie beim M-Verfahren (filmartige Anlagerung des Kraftstoffes an die Brennraumwand) durch kontinuierliche Gemischaufbereitung während des Einspritzvorganges sanfte Druckanstiege und niedrige Spitzendrücke, verbunden mit geräuscharmem Lauf bei hohen Mitteldrücken und geringer NO -Bildung, erzielt werden. Da bei Verwendung einer Einspritzeinrichtung, die nach dem Venturi-Prinzip arbeitet, eine Wandanlagerung des Kraftstoffes infolge Vorliegens einer Zweiphasenströmung nicht erforderlich ist, treten die beim M-Verfahren bekannten Nachteile bei kaltem Motor nicht auf. Bekanntlich führen dort bei kaltem Motor die ungünstigeren Verdunstungsbedingungen an der Wand zu Kaltstartschwierigkeiten und zu erhöhter Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe [71. Mit der erfindungsgemäß■beschriebenen Einspritzeinrichtung läßt sich beim direkteinspritzenden Dieselmotor Verbrennung und Motorlauf ähnlich weich gestalten wie beim Vorkammerdieselmotor, ohne dessen Nachteile, wie z.B. höheren Kraftstoffverbrauch, in Kauf nehmen zu müssen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung ist, daß die durch die Saugschlitze verursachte Luftbewegung in Düsennähe örtliche Uberhitzungen vermeidet und so ein Verkoken der Düsenaustrittsbohrungen verhindert wird. Werden die Saugschlitze beispielsweise durch Funkenerosion hergestellt, so ist ihre geometrische Form in weiten Grenzen frei wählbar, wodurch sich der zeitliche

und räumliche Ablauf der Gemischbildung gezielt beeinflussen läßt. Dabei können bei einer Mehrlochdüse die Saugschlitze verschieden große Querschnitte für die einzelnen Spritzlöcher haben, so daß sich sowohl Härte als auch Eindringtiefe der einzelnen Einspritzstrahlen vorgeben lassen. Dadurch ist es möglich, auch bei höchsten Einspritzdrücken, die für die geforderten kurzen Einspritzzeiten notwendig sind, gezielt Einspritzstrahlen geringerer Härte und unterschiedlicher Eindringtiefe bei gleichem Einspritzdruck zu erzeugen, so daß mit einer Einspritzeinrichtung, die mit mehreren Spritzlöchern versehen ist, im Brennraum eines direkteinspritzenden Dieselmotors.i, dadurch die für eine optimale Gemischbildung starke Ladungsschichtung entsteht.

Weiterhin wird beim Schließen des Nadelventils (18) durch die kurzeitig noch vorhandene Sogwirkung der Luft erreicht, daß in Spritzloch und Sackloch verbliebene Kraftstoffreste herausgesaugt werden und noch während des Verbrennungsvorganges in den Brennraum gelangen.

Mit Hilfe von theoretischen Ansätzen und von Kennwerten, die- aus Versuchen zu ermitteln sind, kann eine Einspritzeinrichtung nach dem Venturi-Prinzip so ausgelegt werden, daß eine Zweiphasenströmung mit optimalen Zündbedingungen für eine vorgegebene Brennraumgröße und -geometrie entsteht.

Schrifttum:

[1] Höcker, M. Köhler, W, Müller, J.

Verbrauchsgünstiger Dieselmotor mit geringer Ruß- und Schadstoffemission durch gesteuerte Hochdruckeinspritzung.

Klöckner-Humboldt-Deutζ AG, Forsch.-Bericht Nr. 400 032 BMFT-Förderungskennzeichen TV 7844 4 (1981) .

[2] Binder, K.

Hilburger, W.

Influence of the Relative Motions of Air and Vapor on the Mixture Formation Processes of the Direct Injection Diesel Engine.·

Daimler-Benz AG, Research Laboratories, SAE Technical Paper Series 810831 (1981).

[3] Müller, J. Pilz, E. Rath, K. Wiegand, H,

Untersuchung des Zündverzugs am Gemischbildungskanal.

DFVLR-IB 325-81/15 (1981).

[4] Melcher, K.

Untersuchungen der Zustandscharakteristiken von Hoch- und-Höchstdruckflüssigkeitsstrahlen für neue technische Anwendungen.

Robert Bosch GmbH, BMFT-NT 290 (1976).

[5] Wiegand, H.

Einspritzvorrichtung für einen Dieselmotor.

Aktenzeichen der Patentanmeldung: P 32 34 829.Ö vom 21.09.1982.

Aktenzeichen der Gebrauchsmuster-Hilfs-

anmeldung:

G 82 26 478.3 vom 21.09.1982.

[6] Miller, J.R.

The Liquid Gas Ejector.

Dissertation, New Mexico State University.

University Park, New Mexico, May 1969.

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[7] Müller, E. Experimentelle Untersuchung der Kraftstoff ilmentstehung, -ausbreitung und -Verdunstung im direkteinspritzenden M.A.N.-M-Dieselmotor.

Vortrag auf der Tagung: Verdampfung von Brennstofftropfen und Brennstoffilmen in Motoren, Turbinen und Feuerungen.

Haus der Technik, Essen 16./17.10.1980.

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Claims

Patentansprüche:

Einspritzeinrichtung zur Kraftstoffeinspritzung, insbesondere für direkteinspritzende Dieselmotoren, bei denen entweder eine Einlochdüse mit zentralem Spritzloch (12) oder eine Mehrlochdüse, deren Spritzlöcher (12; 13) in einem beliebigen Winkel zur Düsenachse stehen können, zur Anwendung kommt, dadurch gekennzeichnet, daß im engsten Querschnitt eines SpritzLoches (12;13) die Sogwirkung des KraftstoffStrahls dazu genutzt wird, daß während des Einspritzvorganges Luft über die Saugschlitze (14a;14b) dort kontinuierlich angesaugt wird, und daß durch Vermischung der Luft mit dem Kraftstoff· Ibis zum Ende des Spritzloches eine Zweiphasenströmung entstanden ist, so daß ein weicher Strahl von Dieselkraftstoff in den Brennraum (15) eindringt, der leichter durch Turbulenz mit der Luft vermischt werden kann.
2. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Saugschlitze (14a;14b) eine frei wählbare geometrische Querschnittsform haben können und zur Beschleunigung der anzusaugenden Luft als Düsen ausgebildet sind.
3. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Mehrlochdüse die Saugschlitze (14a;14b) für die einzelnen Spritzlöcher (12;13) jeweils verschieden große Querschnitte haben können, so daß Härte und Eindringtiefe jedes einzelnen Einspritzstrahls unabhängig voneinander über die vorgegebene Größe der Saugschlitze (14a;14b) eingestellt werden können und dadurch eine Ladungsschichtung im Brennraum erreicht wird.
4. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß nach Schließen des Nadelventils (18) noch im Sackloch (11) und den Spritzlöchern (12; 13) befindliche Kraftstoffreste durch die noch vorhandene Sogwirkung der Luft abgesaugt werden und noch während des Verbrennungsvorganges in den Brennraum gelangen.
5. Einspritzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 4.dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung optimaler Gemischbildungsbedingungen für die Ausbildung einer Zweiphasenströmung sich den Spritzlöchern (12; 13) eine diffusorartige Erweiterung (16a;16b) mit zylindrischem Mischteil (17a;17b) anschließt.

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