DE4344026C2 - Einspritzdüse - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für Dieselmotoren mit den im Oberbegriff des
Patentspruch 1 genannten gattungsbildenden Merkmalen.
Es ist bekannt bei Dieselmotoren den Kraftstoff so in den Verbrennungsraum einzuspritzen,
daß er sich vor und während der Verbrennung möglichst gleichmäßig auf die gesamte
Verbrennungsluft verteilt. Hierbei dominiert die direkte Kraftstoffeinspritzung nach dem
Strahlzerstäubungsverfahren, bei dem der Kraftstoff aus einer Mehrlochdüse schräg nach
unten in die Verbrennungsluft im Brennraum eingespritzt wird, wobei diese Luft beim
Einströmen durch besondere Formgebung des Einlaßkanals in eine Drehbewegung um die
Zylinderachse versetzt wurde. Durch die Rotation der Luft erfolgt die gewünschte
Verteilung des Kraftstoffs auf den gesamten Brennraum, also auch auf Luft, die durch die
Zerstäubung des Kraftstoffs beim Einspritzen durch Düsenbohrungen nicht unmittelbar
getroffen wird.
Bedingt durch diese kreisende Luftströmung im Brennraum werden insbesondere bei
Brennverfahren mit großem Drall die Einspritzerstrahlen stark verweht. Überlappen sich die
einzelnen verwehten Strahlen dabei, so bilden sich lokale Bereiche mit Kraftstoffüberschuß,
die unter Sauerstoffmangel verbrennen. Die Folgen einer solchen unvollständigen
Verbrennung sind hohe
Rußemissionen. Damit die Einspritzstrahlen nicht in der beschriebenen Weise überlappend
verweht werden, werden bei dieser Einspritzform Einspritzdüsen (DE 36 12 029 A1) mit
einer begrenzten Anzahl von Einspritzbohrungen eingesetzt, deren Bohrungsabstand so
gewählt ist, daß sich die einzelnen Einspritzstrahlen auch bei starker Verwehung nicht
überlappen können.
Ferner ist aus der CH-PS 489 708 eine Einspritzdüse mit jeweils in einer Reihe
angeordneten großen und kleinen Düsenbohrungen bekannt. Die Düsenbohrungen der
einzelnen Reihen sind gegeneinander versetzt angeordnet und die Einspritzbohrungen bzw.
die Einspritzstrahlen liegen auf unterschiedlichen Kegelmänteln, die sich im Abstand zu den
Düsenöffnungen schneiden. Diese Einspritzdüse eignet sich ausschließlich für drallfreie
Einspritzverfahren, sobald der Zylinderladung eine Drallbewegung aufgeprägt wird, kreuzen
sich die Brennstoffstrahlen gegenseitig, was zu nachteiliger Rußbildung führt.
Aus der DE-OS 24 34 339 ist eine Zwei-Stufen-Mehrlocheinspritzdüse bekannt, wie sie bei
einem drallfreien Strahleinspritzverfahren zur Anwendung kommt. Große und kleine
Einspritzbohrungen sind abwechselnd symmetrisch auf einer Düsenumfangslinie verteilt
ausgebildet, wobei die großen und die kleinen Einspritzbohrungen jeweils eine Gruppe
bilden, und die Gruppe der kleinen Einspritzbohrungen während der Öffnungsphase des
Einspritzventils zuerst von Kraftstoff durchflossen werden, um eine Piloteinspritzung
darzustellen.
Eine Mehrlochdüse bei der durchmessergleiche Einspritzbohrungen paarweise symmetrisch
über den Düsenumfang verteilt angeordnet sind zeigt JP 311152. Dort sind die
Einspritzbohrungen eines Paares jeweils unter einem derartigen Winkel zueinander
angeordnet, daß sich zwischen den austretenden Einspritzstrahlen Unterdruck bildet,
wodurch frühe Strahlzerstäubung begrenzt und große Wurfweiten erreicht werden können.
Aufgrund der dicht nebeneinanderliegenden Einspritzbohrungen ist für diese Einspritzdüse
mit hohen Rußemissionen
zu rechnen.
Schließlich ist aus der DE 35 01 236 C1 eine Einspritzdüsenanordnung für ein drallfreies
Einspritzverfahren bekannt.
Eine weitere Einspritzdüse ist durch die EP-PS 0 246 373 B1 bekannt und darin als
Baugruppe eines gesamten Kraftstoffeinspritzgeräts beschrieben. Bei dieser bekannten
Einspritzdüse sind insgesamt drei Einspritzöffnungen in gleichmäßigen Abstand
zueinander seitlich am Umfang des Düsenkörpers ausgebildet. Je nach Stellung eines als
Hohlzylinder ausgebildeten Düsenverschlußelements, werden die drei Einspritzöffnungen
geöffnet oder geschlossen und so die einzuspritzende Kraftstoffmenge reguliert. Bei
vollkommen geöffneten Einspritzöffnungen und vorgegebenem Einspritzdruck ist die
maximal einspritzbare Kraftstoffmenge durch die gesamte Querschnittsfläche der drei gleich
groß ausgebildeten Einspritzöffnungen festgelegt. Das oben beschriebene Überlappen der
durch die Einspritzöffnungen vorgegebenen und vom Verbrennungsluftwirbel verwehten
Einspritzstrahlen wird hierbei durch den Winkelabstand von je 120° vermieden.
Diese Einspritzdüse ist aufgrund ihrer insoweit erläuterten baulichen und funktionellen
Eigenschaften mit den Nachteilen behaftet, daß sich durch die wenigen, jeweils
durchmessergleichen Öffnungsflächen der Einspritzöffnungen eine verhältnismäßig kleine
Gesamtöffnungsfläche und dadurch relativ lange Einspritzdauern ergeben. Darüberhinaus ist
die Luftausnutzung beim Verbrennungsvorgang dieses Drallverfahrens mit den üblichen drei
bis fünf Einspritzöffnungen gering.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einspritzdüse der eingangs genannten Art
anzugeben, die unter Vermeidung der oben beschriebenen Nachteile kürzere
Einspritzdauern und/oder eine verbesserte Luftausnutzung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Aus dieser abwechselnden Anordnung von großen und kleinen Einspritzöffnungen, wo
jeweils zwischen zwei großen Bohrungen, wie sie bisher auch bei herkömmlichen Düsen
dieser Art ausgebildet sind, erfindungsgemäß zusätzlich eine Einspritzöffnung mit kleinerem
Bohrungsdurchmesser vorgesehen ist, resultiert der technische Vorteil, daß damit über die
gesamte Einspritzdüse betrachtet eine weitaus größere Gesamtquerschnittsfläche aller
Einspritzöffnungen an einer Düse erreicht wird als bei herkömmlichen Einspritzdüsen, ohne
daß die dadurch festgelegten Einspritzstrahlen beim Einspritzen in den Luftwirbel auch nur
teilweise ineinander verweht werden.
Die so vergrößerte Einspritz-Gesamtquerschnittsfläche ermöglicht einen bedeutend größeren
Kraftstoffstrom, als bei herkömmliche Einspritzdüsen, so daß bei üblichen
Einspritzdruckverhältnissen die vorgesehene Kraftstoffmenge in einer wesentlich kürzeren
Zeitdauer als bisher in den Brennraum eingespritzt werden kann. Diese kürzere
Einspritzdauer schafft den Vorteil einer kürzeren Brenndauer, wodurch der effektive
spezifische Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung der Einspritzöffnung,
ist die dadurch erreichte gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs in die Luft, welche zu
einer homogeneren Durchmischung und einer daraus resultierenden wesentlich besseren
Luftausnutzung im Zylinder führt. Hierbei wirkt sich die Kombination von kleinen und
großen Einspritzöffnungen besonders vorteilhaft aus, da man mit konstantem Einspritzdruck
mit kleinen Einspritzöffnungen grundsätzlich eine feinere Zerstäubung erreicht als mit
großen Öffnungen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Achsen der großen und kleinen
Einspritzöffnungen jeweils auf
unterschiedlichen konzentrischen Kegelmänteln liegen, deren Öffnungswinkel verschieden
sind. Als spezieller Vorteil dieser Ausführungsform erreicht man ein Einspritzmuster,
welches ein überlappendes Verwehen der Einspritzstrahlen mit noch größerer Sicherheit
ausschließt und gleichzeitig turbulente Strömungsverhältnisse für ein verbessertes
Verwirbeln von Kraftstoff in der Verbrennungsluft im Verbrennungsraum unterstützt.
Die sich aus der homogenen Durchmischung und dem damit erreichten Verbrennungsablauf
ergebende wesentlich verbesserte Luftausnutzung, wirkt sich in einer wesentlich geringeren
Rußentwicklung bei ansonst gleichen Schadstoffemissionen aus.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 Schematisch die Anordnung von Einspritzdüse und Kolben in einer
Querschnittsdarstellung;
Fig. 2 Eine Horizontalschnittdarstellung durch die Düse entlang des Schnittverlaufs
II-II in Fig. 1 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 2b einen Horizontalschnittverlauf durch die Düse entlang des Schnittverlaufs
II-II in Fig. 1 gemäß einer zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 3 Das Einspritzmuster einer herkömmlichen Mehrlochdüse in Draufsicht;
Fig. 4 Das Einspritzmuster des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Einspritzdüse in Draufsicht;
Fig. 5 Die Darstellung der Einspritzrate über der Zeit im Vergleich zu
herkömmlichen Einspritzraten.
In Fig. 1 sind schematisch Einspritzverhältnisse einer sonst nicht näher dargestellten
Brennkraftmaschine gezeigt. Dem Kolben gegenüberliegend ist die Einspritzdüse 4 koaxial
zur Kolbenmittelachse 5 angeordnet und zusammen mit ihrem Düsenhalter 3 in in der
Zeichnung nicht näher dargestellter Weise in der Zylinderkopf eingeschraubt. Entgegen der
hier dargestellten koaxialen Anordnung der Einspritzdüse ist auch jegliche andere
Platzierung der Düse im Zylinder möglich, ohne daß die durch die Erfindung erzielten
Vorteile beeinträchtigt werden.
Der Kolben 1 weist eine Kolbenmulde 2 auf, die nicht zwingend die dargestellte Form haben
muß, sondern je nach den gewünschten Strömungsverhältnissen in jeder beliebigen Form
ausgebildet sein kann. In Fig. 1 befindet sich der Kolben 1 in seiner oberen Totpunktlage
(OT), bei der die Kolbenoberkante 14 soweit in Richtung auf die Einspritzdüse 4 zu
verschoben ist, daß diese zumindest teilweise in die Kolbenmulde 2 hineinragt.
Die Einspritzdüse 4, die hier als Sacklochdüse ausgebildet ist, weist im Abstand zur
Einspritzdüsenspitze auf einer Umfangslinie verteilt mehrere Einspritzöffnungen 8, 9, 15, 16
auf. Die Einspritzöffnungen 8, 9, 15, 16, genauer gesagt die Mündungsöffnungen dieser
Einspritzöffnungen 8, 9, 15, 16 liegen hierbei auf der gemeinsamen Umfangslinie, während
die Achsen 10, 17 der als Bohrungen ausgebildeten Einspritzöffnungen 8, 15 auf einer
gemeinsamen Kegelmantelfläche 6 mit einem Öffnungswinkel α1 und die Achsen 11, 18 der
kleineren Einspritzbohrungen 9, 16 auf einer zweiten Kegelmantelfläche 7 mit einem
gegenüber dem Öffnungswinkel α1 kleineren Öffnungswinkel α2 liegen. Hierbei ist der
Öffnungswinkel α1 dieser Kegelmantelfläche so gewählt, daß die austretenden
Einspritzstrahlen in Richtung auf die Kolbenmulde 2 gerichtet sind, wenn sich der Kolben in
seiner oberen Totpunktlage befindet, wie in Fig. 1 dargestellt.
In den Fig. 2a und 2b ist jeweils eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Einspritzdüse 4 als Schnitt entlang des Schnittverlaufs II-II in Fig. 1 dargestellt. Diese
Darstellungen zeigen die jeweilige Anordnung der Einspritzbohrungen 8, 9, 15, 16 auf der
gemeinsamen Umfangslinie
der Einspritzdüse 4. Hierbei sind in der in Fig. 2a dargestellten Ausführungsform
insgesamt sechs Einspritzöffnungen 8 mit großem, herkömmlichem Durchmesser und sechs
weitere Einspritzbohrungen 9 mit kleinerem Durchmesser in gleichmäßigem gegenseitigen
Abstand über den Umfang der Einspritzdüse 4 verteilt angeordnet. Wie der Fig. 2a zu
entnehmen ist, ist hier jeweils eine kleine Einspritzöffnung 9 zwischen zwei großen
Einspritzbohrungen 8 angeordnet, wobei der Umfangswinkelabstand 12, den die Achsen 10,
11 einer großen Einspritzöffnung 8 und einer kleinen Einspritzöffnung 9 zwischen sich
einschließen halb so groß ist, wie der Umfangswinkel 13 den die Achsen 10, 10 zweier
benachbarter großer Einspritzbohrungen 8 miteinander bilden.
Die Einspritzbohrungen 8, 9, 15, 16 sind jeweils als Feinbohrungen in der
Einspritzdüsenspitze hergestellt. Die Gestalt der Einspritzöffnungen 8, 9, 15, 16 ist jedoch
nicht zwingend auf die Ausbildung als Bohrung eingeschränkt, sondern es können auch
andere Formen und Gestalten vorgesehen sein, die geeignet sind, gewünschte
Eintrittsströmungsverhältnisse zu erzeugen.
Erfindungswesentlich ist hierbei, daß die Durchmesser der großen Einspritzöffnungen 8 und
der kleinen Einspritzöffnungen 9 so dimensioniert sind, daß der sich aufgrund des
vorgesehenen Einspritzdruckes durch die einzelnen Einspritzöffnungen 8, 9, 15, 16
ausbildende Kraftstofffluß jeweils einen Einspritzstrahl 22′, 23 bilden kann, wie er in Fig. 4
dargestellt ist.
In den Fig. 3 und 4 ist jeweils ein typisches Einspritzstrahlmuster gezeigt, wie es sich
ausbildet, wenn mehrere, in den dargestellten Ausführungsformen geformte
Einspritzstrahlen (22, 22′, 23) radial in den Verbrennungsraum, die Kolbenmulde 2,
eingespritzt werden. Die einströmende Verbrennungsluft wurde zuvor mittels eines
entsprechenden Einströmkanals so in Rotation versetzt, daß sich im Verbrennungsraum ein
Luftwirbel bildet. Diese mittels des als
Drallkanal bezeichneten speziellen Einströmungskanals mit einem großen Drall versetzte
Luft wird üblicherweise zentral von oben in den Verbrennungsraum eingeleitet. Dabei reißt
die einströmende Luft den Kraftstoff mit sich und verweht dadurch die Einspritzstrahlen zu
den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Einspritzkeulen 22, 22′, 23.
In Fig. 3 ist ein Einspritzmuster dargestellt, wie es sich bei herkömmlichen Einspritzdüsen
mit jeweils gleich großen Einspritzöffnungen, hier 6 Stück, ausbildet. Die Durchmesser
dieser Einspritzbohrungen sind so gewählt, daß sich die einzelnen verwehten
Einspritzstrahlen 22 nicht gegenseitig überlappen. Wie jedoch aus der Fig. 3 gut zu
erkennen ist, bilden sich in den Gebieten zwischen zwei benachbarten Einspritzstrahlen 22
jeweils Bereiche aus, in denen kein Kraftstoff mit Luft gemischt wird. Die in diesen
Bereichen vorhandene Luft wird daher auch nicht bei der Verbrennung mit ausgenutzt. Hier
setzt nun die Erfindung ein, denn wie in Fig. 4 dargestellt, münden in diese Lücken
zwischen zwei benachbarten Einspritzstrahlen 22′ jeweils die kleineren Einspritzstrahlen 23,
welche sich beim Austritt des Kraftstoffs aus den kleinen Einspritzöffnungen 9 bilden.
Je nach Intensität des Luftwirbels sind die Durchmesser der Einspritzöffnungen so
aufeinander abgestimmt, daß sich die großen 22′ Einspritzstrahlen 23 im verwehten Zustand
zu einem flächenmäßig ergänzenden Einspritzmuster komplettieren, ohne daß sie sich dabei
gegenseitig überlappen.
Das in Fig. 4 dargestellte Einspritzmuster wird beispielsweise mit einer Einspritzdüse
erreicht, wie sie in der Fig. 2a dargestellt ist. Für Ausführungsformen, bei denen ein
besonders starker Luftdrall im Verbrennungsraum vorgesehen ist, bringt die in der Fig. 2b
dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einspritzdüse weitere Verbesserung.
Bei dieser Ausführungsform sind die großen Einspritzöffnungen und die kleinen
Einspritzöffnungen jeweils paarweise gleichmäßig über den Gesamtumfang der
Einspritzdüse 4 verteilt angeordnet. Durch
den geringen Winkelabstand der Einspritzöffnungsachsen 17 und 18 dieses Öffnungspaares,
wird jeweils der kleinere Einspritzstrahl quasi im Windschatten des großen Einspritzstrahls
abgelenkt, ohne daß sich die Keulen überlappen. Andererseits hat dieses Einspritzstrahlpaar
22′, 23 einen gegenüber dem in Fig. 4 dargestellten Einspritzmuster größeren
Brennraumsektor zur Verfügung, in welchem der Kraftstoff verweht werden kann, ohne daß
er sich mit dem benachbarten Einspritzstrahl 22′ durchmischt.
Wie aus einem Vergleich des Einspritzmusters nach Fig. 3 und dem Muster nach Fig. 4
hervorgeht, ermöglicht die erfindungsgemäße Einspritzdüse eine wesentlich
flächendeckendere Ausnutzung der Verbrennungsluft im Verbrennungsraum. Abgesehen
von der flächendeckenden Einspritzform steht bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse eine
erheblich vergrößerte Gesamtquerschnittsfläche der Einspritzöffnungen zur Verfügung,
wodurch die jeweils erforderliche Kraftstoffmenge in wesentlich kürzeren Zeiten in den
Verbrennungsraum eingespritzt werden kann. Dieser größere Massenstrom, oder auch
Strömungsrate, ist in Fig. 5 in Abhängigkeit der Zeit über einen Gesamteinspritzvorgang
abgebildet. In diesem Diagramm stellt die Kurve 26 die Einströmrate einer herkömmlichen
Einspritzdüse dar und die Kurve 27 die Einspritzrate, wie sie mit der erfindungsgemäßen
Einspritzdüse möglich ist. Die Fläche, welche unter der jeweiligen Kurve 26, 27 und der
Zeitachse eingeschlossen, entspricht der Menge des eingespritzten Kraftstoffes. Ist die
Einspritzdüse vollkommen geöffnet, dann ermöglicht die erfindungsgemäße Einspritzdüse
einen wesentlich steilerer Anstieg der Strömungsrate (Kurve 27) auf ein gegenüber
herkömmlichen Düsen deutlich höheren Spitzenwert. Ferner ist der Einspritzvorgang mit
der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 4 aufgrund deren größeren Gesamtlochquerschnitts
deutlich früher (Zeitpunkt tE) als bei herkömmlichen Einspritzdüsen (Zeitpunkt tH). Als
Ergebnis dieses Vergleichs, wird der Flächenschwerpunkt FE der Einströmrate 27 der
erfindungsgemäßen Düse gegenüber dem Schwerpunkt FH herkömmlicher Düsen deutlich
(Strecke S) nach vorne verlagert.
Mit der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 4 kann folglich eine größere Kraftstoffmenge
innerhalb einer kürzerer Zeit in den Verbrennungsraum eingespritzt werden, ohne daß es in
diesem zu lokalen Kraftstoffansammlungen und deshalb unter unzureichender
Luftausnutzung zu großen Ruß- und Schadstoffentwicklung kommt.
Claims (3)
1. Einspritzdüse für Dieselmotoren, mit direkter Kraftstoffeinspritzung in einen
Brennraum, welche als Lochdüse mit mehreren in
gleichmäßigen Abständen und über eine Düsenumfangslinie verteilt angeordneten
Einspritzöffnungen ausgeführt ist, wobei zwischen mindestens zwei
benachbarten Einspritzöffnungen (8; 15) jeweils eine weitere kleinere Einspritzöffnung
(9; 16) ausgebildet ist, wobei die Mündungen aller Einspritzbohrungen (8, 9; 15, 16) auf
einer gemeinsamen Umfangslinie liegen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbrennungsluft im Brennraum mit Drall versetzt ist
und daß in Drallrichtung gesehen die kleinere Einspritzöffnung
(9, 16) benachbart hinter der größeren Einspritzöffnung (8, 15)
liegt, und der Umfangswinkelabstand (12, 19) der kleineren
Einspritzöffnung (9, 16) von der größeren Einspritzöffnung (8, 15)
kleiner ist als der halbe oder gleich ist dem halben
Umfangswinkelabstand (13, 20) der größeren Einspritzöffnungen
(8, 15) untereinander.
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (10, 11; 17, 18)
der Einspritzöffnungen (8, 9; 15, 16) auf einer gemeinsamen Kegelmantelfläche (6) liegen.
3. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Achsen (10; 17) der
Einspritzöffnungen (8; 15) auf einer ersten Kegelmantelfläche (6) und die
Einspritzöffnungen mit kleineren Durchmesser (9; 16) auf einer zweiten Kegelmantelfläche
(7) liegen, wobei der Öffnungswinkel der ersten Kegelmantelfläche (6) größer ist als
derjenige der zweiten Kegelmantelfläche (7).
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