EP0692625A1

EP0692625A1 - Düsenkopf für eine Brennstoffeinspritzdüse und Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff in einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: EP0692625A1
Application number: EP94810420A
Authority: EP
Inventors: Dr. Jakob Vollerweider
Original assignee: Winterthur Gas and Diesel AG
Current assignee: Wartsila NSD Schweiz AG
Priority date: 1994-07-15
Filing date: 1994-07-15
Publication date: 1996-01-17
Anticipated expiration: 2014-07-15
Also published as: DE59409040D1; DK0692625T3; JPH0849634A; EP0692625B1; CN1133394A; FI953430A; FI953430A0; KR100386183B1; CN1066802C; JP3738053B2; FI106740B

Abstract

Der untere Bereich eines Düsenkopfs (2) ist in Fig. 2 dargestellt, mit Düsenlöchern (6) und einem Hohlraum (9). Innerhalb des Hohlraumes (9) sind stabförmige Störkörper (7) angeordnet, die auf der einen Seite des Hohlraumes (9) mit einer Verankerung (8) im Düsenkopf (2) befestigt sind, und die auf der anderen Seite des Hohlraumes (9) in ein Düsenloch (6) hineinragen. Die stabförmigen Störkörper (7) sind derart dimensioniert, dass sie durch die Brennstoffströmung in eine hochfrequente Schwingung versetzt werden, was bewirkt, dass die Ringspaltgeometrie im Düsenloch (6) entsprechend moduliert wird, was die Geschwindigkeitsvektoren des ausfliessenden Brennstoffes über dem Ringspalt beeinflusst. Der schwingende Störkörper (7) bewirkt auf den ausströmenden Brennstoff eine Turbulenzstruktur, wie dies in Figur 2a dargestellt ist. Fig. 2a zeigt von oben nach unten die Entwicklung eines austretenden Brennstoffstrahls (22) in Funktion der Zeit, mit einer in den Brennraum eindringenden Front (22a). <IMAGE> <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf für eine Brennstoffeinspritzdüse gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter ein verfahren zum Einspritzen von Brennstoff in einen Verbrennungsmotor gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 12. Die Erfindung betrifft weiter eine Brennstoffeinspritzdüse sowie eine verbrennungskraftmaschine mit einem erfindungsgemässen Düsenkopf.
Brennstoffeinspritzdüsen werden üblicherweise in Kombination mit Einspritzventilen verwendet, um einen Brennstoff, unter Umständen auch zusammen mit komprimierter Luft oder weiteren Gasen, in die Verbrennungskammer einer Hubkolbenbrennkraftmaschine einzuspritzen. Die beim Einspritzen entstehende Brennstoffstrahlbildung im Verbrennungsraum ist üblicherweise bestimmt durch die geometrischen Eigenschaften der Brennstoffeinspritzdüse.
Aus der Patentschrift CH 645 699 ist eine Düse für ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, die innerhalb des Düsenkopfs fest angeordnete, drallerzeugende Flächen aufweist, sodass ein Brennstoffstrahl drallbehaftet aus dem Düsenkopf austritt, und dadurch leicht zerstäubt.
Ein Nachteil dieser bekannten Ausführungsform einer Düse ist darin zu sehen, dass der Brennstoffstrahl gleichförmig austritt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Düsenkopf für eine Brennstoffeinspritzdüse derart zu verbessern, dass das Strahlmuster des aus dem Düsenkopf austretenden Brennstoffes ein turbulentes Strömungsverhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch den Gegenstand mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen. Die Unteransprüche 2 bis 11 beziehen sich auf weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zur Abgabe von Brennstoff aus einem Düsenkopf gemäss den in Anspruch 12 und 13 definierten Merkmalen.
Der erfindungsgemässe Düsenkopf weist in seinem Inneren angeordnete, bewegliche Störkörper auf, die auf Grund des durch den Düsenkopf strömenden Brennstoffs in Bewegung versetzt werden, sodass die Anströmung der Düsenlöcher ständig verändert wird, was den Turbulenzgrad des ausströmenden Brennstoffs stark erhöht. Die Bewegung des Störkörpers moduliert unter anderem die austretende Brennstoffmenge, die Austrittsgeschwindigkeit und die Strömungsrichtung in Funktion der Zeit.
Die Ausgestaltung eines Störkörpers ist in zwei grundsätzlich unterschiedliche Ausführungsformen unterteilbar.

1. Eingespannter Störkörper

Die eine Ausführungsform eines Störkörpers besteht aus einem Körper, der teilweise fest mit dem Düsenkopf verbunden ist, wobei der Körper ein Teil umfasst, der in den Innenraum des Düsenkopfs hineinragt und frei beweglich ist. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Störkörpers ist zum Beispiel ein einseitig eingespanntes Stäbchen, das einerseits fest im Düsenkopf verankert ist und andererseits sich im Innenraum des Düsenkopfs vibrierend bewegen kann. Ein solcher Störkörper wird derart im Innenraum des Düsenkopfs angeordnet, dass der durchströmende Brennstoff den Störkörper zur Vibration anregt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird ein eingespannter, zum Beispiel stabförmiger Störkörper derart ausgeführt, dass das eine Ende in ein Düsenloch hineinragt und innerhalb des Düsenloches frei beweglich ist. Durch den strömenden Brennstoff wird der stabförmige Störkörper in eine hochfrequente Schwingung versetzt. Dadurch wird die Ringspaltgeometrie des Düsenlochs zeitlich ständig verändert und damit auch die Geschwindigkeitsvektoren über dem zwischen dem Düsenloch und dem stabförmigen Störkörper ausgebildeten Ringspalt. Die derart ausgebildete Asymmetrie der Geschwindigkeitsverteilung führt beim austretenden Brennstoff zu einer hohen Turbulenzgrad.

2. Frei beweglicher Störkörper

Eine weitere Ausführungsform eines Störkörpers besteht aus einem Körper, der frei beweglich, zum Beispiel rotierbar im Innenraum des Düsenkopfs angeordnet ist. Ein solcher Störkörper wird durch den strömenden Brennstoff in Bewegung, zum Beispiel in eine Rotation versetzt. Durch diese Bewegung werden die Eintrittsöffnungen der Düsenlöcher durch den Störkörper ständig teilweise oder vollständig geschlossen und wieder geöffnet, was den Brennstoff in einer pulsierenden, turbulenten Weise aus dem Düsenloch austreten lässt. Der Störkörper ist derart ausgestaltet, dass der strömende Brennstoff den Störkörper in Bewegung setzt, zum Beispiel dadurch, dass der Störkörper als schrägverzahntes Stirnrad ausgebildet ist, wobei der durch die Verzahnung strömende Brennstoff eine Rotation des Störkörpers bewirkt. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, um einen frei beweglichen Störkörper auszubilden, so zum Beispiel auch kugelförmige oder elliptisch geformte Störkörper.
Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der Verbrennungsprozess im Brennraum auf Grund des turbulenten Brennstoffstrahlbildes mit einer reduzierten Emission von Stickoxiden (NOx) abläuft. Die am Rand des Brennstoffstrahls ausgebildeten Wirbel bewirken, dass teilweise auch Rauchgas in die Brennzone hineingezogen wird, was als "interne Rauchgas-Rezirkulation" bezeichnet wird. Das inerte Rauchgas senkt den Sauerstoff-Partialdruck und somit die Temperatur in der Flamme ab, was selbst bei kleinen Rezirkulationsraten bereits zu einer Minderung der Stickoxidemission führt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Düsenkopfs ist darin zu sehen, dass sich die Störkorper in Düsenköpfe bekannter Ausführungsformen integrieren lassen, sodass ein erfindungsgemässer Düsenkopf äusserlich baugleich zu bereits bekannten Ausführungsformen herstellbar ist, sodass bestehende Düsenköpfe problemlos durch erfindungsgemässe Düsenköpfe austauschbar sind.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Störkörper durch den strömenden Brennstoff in Bewegung versetzt werden, sodass kein zusätzlicher und aufwendiger Antrieb zur Bewegung der Störkörper notwendig ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: ein Längsschnitt einer Brennstoffeinspritzdüse, der Übersichtlichkeit halber ohne Störkörper;
Fig. 2: ein Längsschnitt eines Düsenkopfs mit Störkörpern;
Fig. 2a: eine Entwicklung eines Brennstoffstrahlbildes in Funktion der Zeit;
Fig. 2b, 2d, 2f: ein Längsschnitt durch ein Düsenloch mit einem innenliegenden Störkörper;
Fig. 2c, 2e, 2g: eine Ansicht eines Düsenlochs von ausserhalb des Düsenkopfs, mit einem innenliegenden Störkörper;
Fig. 2h: ein Längsschnitt durch den Eintrittsbereich eines Düsenlochs;
Fig. 3: ein Längsschnitt eines Düsenkopfs mit einem rotierenden Störkörper;
Fig. 3a: eine Entwicklung eines Brennstoffstrahlbildes in Funktion der Zeit;
Fig. 3b: eine Ansicht eines Düsenlochs von ausserhalb des Düsenkopfs;
Fig. 3c: ein Längsschnitt durch ein Düsenloch.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt einer Brennstoffeinspritzdüse 20, wie sie zum Beispiel bei Grossdieselmotoren Verwendung findet. Der Düsenkopf 2 ist mit einem Düsenkörper 1 verbunden und weist einen Hohlraum 9 auf, eine Öffnung 5 beziehungsweise Einlass 5 zum Zuführen von Brennstoff, und mindestens eine Durchbrechung 6 zur Abgabe von Brennstoff. Der Hohlraum 9 ist zylinderförmig ausgebildet und weist eine Achse B auf. Das Düsenloch 6 weist eine Eintrittsöffnung 6a sowie eine Austrittsöffnung 6b auf. Der unter Druck stehende Brennstoff wird über eine Bohrung 4 der Öffnung 5 zugeführt, wobei die Zuflussmenge durch eine federbelastete Nadel 3 steuerbar ist. Die Düsenlöcher 6 sind abhängig von der Position der Düsen im Brennraum angeordnet. Bei einer peripheren Einspritzung, wie sie bei 2-Taktmotoren üblich ist, sind die Düsenlöcher gebündelt, in eine Richtung weisend, angeordnet. Bei 4-Taktmotoren wird meistens durch eine zentrale Düse eingespritzt, weshalb die Düsenlöcher 6 gleichmässig über den Umfang des Düsenkopfs 2 angeordnet sind. Der Übersichtlichkeit halber sind die Störkörper in Fig. 1 nicht dargestellt.
In Fig. 2 ist der untere Bereich eines Düsenkopfs 2 dargestellt, mit Düsenlöchern 6 und einem Hohlraum 9. Innerhalb des Hohlraumes 9 sind stabförmige Störkörper 7 angeordnet, die auf der einen Seite des Hohlraumes 9 mit einer Verankerung 8 im Düsenkopf 2 befestigt sind, und die auf der anderen Seite des Hohlraumes 9 in ein Düsenloch 6 hineinragen. Der Durchmesser des Düsenloches 6 ist grosser gewählt als der Durchmesser des Störkörpers 7, wobei der Störkörper 7 in seiner Ruhelage keinen Kontakt zum Düsenloch 6 aufweist. Die stabförmigen Störkörper 7 sind bei der Herstellung über das Düsenloch 6 in den Düsenkopf 2 einführbar. Zur Befestigung der Störkörper 7 lässt sich in der rückseitigen Verlängerung der Achsen des Düsenlochs 6 eine Bohrungen 8 anbringen, in welche der stabförmige Störkörper einsteckbar ist und durch eine Hartlötung fixierbar ist. Die stabförmigen Störkörper 7 werden vorzugsweise derart dimensioniert und im Hohlraum 9 angeordnet, dass sie durch die Brennstoffströmung in dem ein Sackloch bildenden Hohlraum 9 in eine hochfrequente Schwingung versetzt werden, was bewirkt, dass die Ringspaltgeometrie des für den ausfliessenden Brennstoff zur Verfügung stehenden Querschnittes im Düsenloch 6 entsprechend zeitlich verändert beziehungsweise moduliert wird, was auch die Geschwindigkeitsvektoren des ausfliessenden Brennstoffes über dem Ringspalt beeinflusst. Der schwingende Störkörper 7 bewirkt eine Asymmetrie in der Geschwindigkeitsverteilung des ausströmenden Brennstoffes, was ausserhalb des Düsenkopfs 2 zu einer Turbulenzstruktur führt, wie dies in Figur 2a dargestellt ist. Fig. 2a zeigt von oben nach unten die Entwicklung eines austretenden Brennstoffstrahls 22 in Funktion der Zeit, mit einer in den Brennraum eindringenden Front 22a. Es ist zu erkennen, dass durch entstehende Randwirbel fjordähnliche Passagen aufgerissen werden, in welche Rauchgas hineingezogen wird, was bei der Verbrennung zu einer Hemmung der Stickoxidbildung führt. Um das dargestellte Strömungsbild zu erhalten genügen bereits kleinste Schwingungsamplituden der stabförmigen Störkörper 7. Grosse Schwingungsamplitutden können sich innerhalb des Düsenloches 6 unter Umständen auf das Strömungsbild als nachteilig erweisen, sodass es sich als vorteilhaft erweisen kann, die Schwingungsamplitude der Störkörper 7, wie in Fig. 2b und Fig. 2c dargestellt, durch am Störkörper 7 angeordnete Stege 10 zu begrenzen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Stege 10 über den Umfang des Störkörpers 7 verteilt, und verlaufen parallel zur Achse des Störkörpers 7.
Wie in Fig. 2d und Fig 2e dargestellt, kann es sich als vorteilhaft erweisen, die Stege 10 schraubenförmig auf dem Störkörper 7 verlaufend anzuordnen, sodass dem durch das Düsenloch 6 ausströmenden Brennstoff eine Drallbewegung aufgezwungen wird, was ausserhalb des Düsenlochs 6 zum Beispiel eine Vergrösserung des Strahlöffnungswinkels bewirkt. Eine weitere Ausbildung eines Düsenloches 6 ist in den Figuren 2f und 2g dargestellt. Der bewegliche Störkörper 7 ist innerhalb des Düsenloches 6 konisch ausgebildet, sodass der zwischen dem Düsenloch 6 und dem Störkörper 7 gebildete Ringspalt 6c von der Eintrittsöffnung 6a zur Austrittsöffnung 6b hin eine konische Erweiterung aufweist. Ein derart ausgebildeter Ringspalt 6c kann den Vorteil aufweisen, dass eine Ausbildung von koagulierenden Brennstofftropfen nahe der Düsenlochachse 6d verhindert werden kann. In Fig. 2h ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Eintrittsöffnung 6a des Düsenloches 6 dargestellt. Die Eintrittsöffnung 6a weist eine abgerundete Öffnung auf, die zum Beispiel durch elektrochemisches Entgraten herstellbar ist. Eine solche, abgerundete Öffnung gewährleistet, dass die Strömungsverhältnisse im Düsenloch 6 über eine lange Betriebsdauer konstant bleiben.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 3 dargestellt ist, wird in den Hohlraum 9, der als Sackloch 11 mit einer Symmetrieachse B ausgeführt ist, ein schrägverzahntes Stirnrad 12 eingeführt, das während der Einspritzphase durch die Brennstoffströmung in Rotation versetzt wird, so dass die Eintrittöffnungen 6a der Düsenlöcher 6 periodisch abgedeckt werden. Das stirnrad 12 ist somit als ein rotierender Störkörper 12 ausgebildet. Das Stirnrad 12 ist zylinderförmig ausgebildet und weist eine Rotationsachse A auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel deckungsgleich zur Symmetrieachse B angeordnet ist. Das schrägverzahnte Stirnrad 12 weist Ausnehmungen 12a auf, die über die gesamte Breite des Stirnrades 12 verlaufen, und deren Richtung zur Rotationsachse A geneigt ist, derart, dass der einströmende Brennstoff eine rotierende Bewegung des Stirnrades 12 bewirkt. Am Ende 9a des Sackloches 11 ist eine Kugel 14 angeordnet, die als Lager für den rotierenden Störkörper 12 dient, um die Reibung gering zu halten.
Die Spaltbreite 15 zwischen dem Düsenkopf 2 und dem rotierendem Störkörper 12 wird vorzugsweise derart dimensioniert, dass eine geringe Reibung resultiert.
Der rotierende Störkörper 12 deckt die Eintrittsöffnung 6a des Düsenloches 6 periodisch ab, sodass, wie in Fig. 3a dargestellt, ein austretender Brennstoffstrahl 21 entsteht, der pulsierende und turbulent in den Brennraum sich fortpflanzende Fronten 21a, 21b, 21c aufweist. Der Brennstoffaustritt wird somit periodisch stark gestört, woraus mehrere Strahlfronten 21a, 21b, 21c resultieren, sodass wegen der dort herrschenden Turbulenzintensität Verbrennungsprodukte in den Brennstoffstrahl hineingezogen werden, was zur gewünschten Hemmung der Stickoxidbildung führt.
In Kombination mit dem rotierenden Störkörper 12 kann das Düsenloch 6 zylinderförmig ausgestaltet sein, mit einer ebenen Innenwand, oder wie in Fig. 3b und 3c dargestellt, drallinduzierend ausgestaltet, indem das Düsenloch 6 ein spiralförmig in der Innenwand verlaufende Nut 16 aufweist. Das Düsenloch 6 und dessen Innenwand kann in beliebieger Form ausgestaltet sein, da das pulsierende Verhalten des Brennstoffdurchflusses an der Eintrittsöffnung 6a erzeugt wird.

Claims

Düsenkopf (2) für eine Brennstoffeinspritzdüse (20), welcher Düsenkopf (2) mit einem Hohlraum (9) und mit einem Einlass (5) für die Zufuhr von Brennstoff und mit mindestens einer kanalförmigen Durchbrechung (6) zur Abgabe von Brennstoff versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein beweglicher Störkörper (7;12) im Düsenkopf (2) angeordnet ist, der vom durchströmenden Brennstoff in Bewegung versetzt werden kann, wobei seine Bewegung die Anströmung der Durchbrechung (6) beeinflusst, um dadurch auf den austretenden Brennstoff ein turbulentes strömungsverhalten zu bewirken.
Düsenkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (9) mindestens im Bereich der Durchbrechung (6) einen zylinderförmigen Abschnitt mit einer Symmetrieachse (B) aufweist, dass der Störkörper (12) eine zylinderförmig Oberfläche (12b) aufweist sowie einer Rotationsachse (A), dass die zylinderförmige Oberfläche (12b) mindestens eine, bezüglich der Rotationsachse (A) über die ganze Breite verlaufende Ausnehmung (12a) aufweist, wobei die Ausnehmung (12a) bezüglich der Rotationsachse (A) geneigt ist, und dass der Störkörper (12) derart im Hohlraum (9) angeordnet ist, dass die Symmetrieachse (B) und die Rotationsachse (A) zusammenfallen, und dass die zylinderförmige Oberfläche (12b) vor der Öffnung (6a) der Durchbrechung (6) liegt.
Düsenkopf (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (12) als schrägverzahntes Stirnrad ausgebildet ist.
Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Sackloch (11), an dessen Ende (9a) eine Kugel (14) aufliegt, auf welcher der Störkörper (12) aufliegt.
Düsenkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Störkörper (7) mit dem Düsenkopf (2) verbunden ist, dass der Störkörper (7) mindestens teilweise in die Durchbrechung (6) hineinragt, und dass der Störkörper (7) bezüglich der Durchbrechung (6) beweglich ist.
Düsenkopf (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (7) sowie die Durchbrechung (6) zylinderförmig ausgestaltet ist, wobei die Durchbrechung (6) einen grösseren Querschnitt als der Störkörper (7) aufweist.
Düsenkopf (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (7) und/oder die Durchbrechung (6) kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei der Störkörper (7) bezüglich der Durchbrechung (6) beweglich ist.
Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (7) mindestens einen vorstehenden Steg (10) aufweist.
Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung (6) mindestens eine in ihrer Längsrichtung verlaufende Nut (16) aufweist.
Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (16) und/oder der Steg (10) spiralförmig verlaufen.
Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Störkörper (7) stäbchenförmig ausgebildet ist, und dass das Stäbchen an der einer Durchbrechung (6) gegenüberliegenden Seitenwand des Hohlraumes (9) im Düsenkopf (2) verankert ist.
Verfahren zur Abgabe von Brennstoff aus einem Düsenkopf (2) einer Brennstoffeinspritzdüse (20), dadurch gekennzeichnet,
dass der in den Düsenkopf (2) eingeleitete Brennstoff unter dem Einfluss eines durch den Brennstoff bewegten Störkörpers (7;12) mit einem turbulenten Strömungsverhalten abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff in den Düsenkopf (2) eingeleitet wird; und dass mindestens die Menge des aus dem Düsenkopf (2) austretenden Brennstoffes durch den Störkörper (7;12) ständig verändert wird.
Brennstoffeinspritzdüse mit einem Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder betrieben mit einem Verfahren nach Anspruch 12 oder 13.
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Dieselmotor mit einer Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 14.