EP0692625B1 - Düsenkopf für eine Brennstoffeinspritzdüse - Google Patents

Düsenkopf für eine Brennstoffeinspritzdüse Download PDF

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EP0692625B1
EP0692625B1 EP19940810420 EP94810420A EP0692625B1 EP 0692625 B1 EP0692625 B1 EP 0692625B1 EP 19940810420 EP19940810420 EP 19940810420 EP 94810420 A EP94810420 A EP 94810420A EP 0692625 B1 EP0692625 B1 EP 0692625B1
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    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M61/162—Means to impart a whirling motion to fuel upstream or near discharging orifices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F2007/0097—Casings, e.g. crankcases or frames for large diesel engines

Definitions

  • the invention relates to a nozzle head for a Fuel injector according to the preamble of Claim 1.
  • the invention further relates to a fuel injector and a Internal combustion engine with an inventive Nozzle head.
  • Fuel injectors are commonly found in Combination with injectors used to create a Fuel, possibly together with compressed air or other gases into which Combustion chamber of a reciprocating piston internal combustion engine to inject.
  • the resulting when injecting Fuel jet formation in the combustion chamber is usually determined by the geometric Properties of the fuel injector.
  • CH 645 699 A is a nozzle for one Fuel injector known within the Nozzle head fixed, swirl-generating surfaces has, so that a fuel jet swirled out emerges from the nozzle head and is therefore easily atomized.
  • An injection nozzle is known from FR 1028215 A, at a specially designed element in the fuel channel is provided that the incoming fuel inside of the nozzle head set in rotation. This rotation causes a turbulent outflow of fuel the nozzle openings.
  • Nozzle head for a fuel injector improve that jet pattern from the nozzle head escaping fuel an improved turbulent Has flow behavior.
  • the nozzle head according to the invention has one in its interior arranged, rotating interfering body on the basis of fuel flowing through the nozzle head in motion is displaced so that the flow against the nozzle holes is constantly changing what the degree of turbulence of the escaping fuel greatly increased.
  • the movement of the Interfering body modulates, among other things, the emerging Amount of fuel, the exit speed and the Flow direction as a function of time.
  • An embodiment of a disturbing body exists from a body that is rotatably arranged in the interior of the nozzle head.
  • a such disturbing body is caused by the flowing fuel set in rotation.
  • the disturbing body is like this designed that the flowing fuel the Sets disturbing bodies in motion, for example by the fact that the interfering body is designed as a helical spur gear is, the fuel flowing through the teeth causes a rotation of the interfering body.
  • An advantage of the invention is the fact that the Combustion process in the combustion chamber due to the turbulent fuel jet image with a reduced Emission of nitrogen oxides (NOx) expires.
  • the on the edge of the Fuel swirl trained swirls cause sometimes also flue gas is drawn into the combustion zone is what is referred to as "internal flue gas recirculation" becomes.
  • the inert flue gas lowers the partial pressure of oxygen and hence the temperature in the flame, which already increases even with low recirculation rates leads to a reduction in nitrogen oxide emissions.
  • nozzle head according to the invention can be seen in the fact that the interfering bodies are in Integrate nozzle heads of known embodiments leave so that a nozzle head according to the invention structurally identical to known ones Embodiments can be produced so that existing Nozzle heads problem-free through nozzle heads according to the invention are interchangeable.
  • Another advantage is that the Interfering body through the flowing fuel in motion be moved, so that no additional and complex Drive for moving the interfering body is necessary.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section of a Fuel injector 20, such as in Large diesel engines are used.
  • the nozzle head 2 is connected to a nozzle body 1 and has one Cavity 9, an opening 5 or inlet 5 to supply fuel, and at least one Opening 6 for the delivery of fuel.
  • the cavity 9 is cylindrical and has an axis B on.
  • the nozzle hole 6 has an inlet opening 6a and an outlet opening 6b.
  • the pressurized Fuel is through a bore 4 of the opening 5th supplied, the inflow amount by a spring-loaded needle 3 is controllable.
  • the nozzle holes 6 depend on the position of the nozzles in the combustion chamber arranged. With a peripheral injection like this is common with 2-stroke engines, the nozzle holes bundled, pointing in one direction. At 4-stroke engines are usually powered by a central nozzle injected, which is why the nozzle holes 6 evenly over the circumference of the nozzle head 2 are arranged. Of the sake of clarity, the interfering bodies are shown in FIG. 1 not shown.
  • the 2 is in the cavity 9, the designed as a blind hole 11 with an axis of symmetry B.
  • a helical spur gear 12 the during the injection phase through the fuel flow is rotated so that the entry openings 6a of the nozzle holes 6 are covered periodically.
  • the Spur gear 12 is thus a rotating disturbing body 12 educated.
  • the spur gear 12 is cylindrical formed and has an axis of rotation A, which in present embodiment congruent to Axis of symmetry B is arranged.
  • the helical gear Spur gear 12 has recesses 12a, which over the entire width of the spur gear 12, and their Direction to the axis of rotation A is inclined such that the inflowing fuel is a rotating movement of the Spur gear 12 causes.
  • a ball 14 arranged as a bearing for the rotating disturbing body 12 serves to reduce the friction hold.
  • the gap width 15 between the nozzle head 2 and the rotating interference body 12 is preferably such dimensioned that low friction results.
  • the rotating interference body 12 covers the inlet opening 6a of the nozzle hole 6 periodically, so that, as in Fig. 2a, an emerging fuel jet 21 arises, the pulsating and turbulent in the combustion chamber propagating fronts 21a, 21b, 21c.
  • an emerging fuel jet 21 arises, the pulsating and turbulent in the combustion chamber propagating fronts 21a, 21b, 21c.
  • the Leakage of fuel is periodically severely disrupted, which results in multiple beam fronts 21a, 21b, 21c, so because of the prevailing turbulence Combustion products in the fuel jet be drawn in, which leads to the desired inhibition of Nitrogen oxide formation leads.
  • the nozzle hole 6 and its inner wall can in any shape, because the pulsating Behavior of the fuel flow at the Entry opening 6a is generated.

Description

Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf für eine Brennstoffeinspritzdüse gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. 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 A 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.
Aus der FR 1028215 A ist eine Einspritzdüse bekannt, bei der im Brennstoffkanal ein speziell ausgebildetes Element vorgesehen ist, das den einstömenden Brennstoff innerhalb des Düsenkopfs in Rotation versetzt. Diese Rotation bewirkt ein turbulentes Ausströmen des Brennstoffs aus den Düsenöffnungen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Düsenkopf für eine Brennstoffeinspritzdüse derart zu verbessern, dass das Strahlmuster des aus dem Düsenkopf austretenden Brennstoffes ein verbessertes turbulentes Strömungsverhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch den Gegenstand mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 beziehen sich auf weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemässe Düsenkopf weist einen in seinem Inneren angeordneten, rotierenden Störkörper auf, der auf Grund des durch den Düsenkopf strömenden Brennstoffs in Bewegung versetzt wird, 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.
Eine Ausführungsform eines Störkörpers besteht aus einem Körper, der rotierbar im Innenraum des Düsenkopfs angeordnet ist. Ein solcher Störkörper wird durch den strömenden Brennstoff 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 Störkörper 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 einem rotierenden Störkörper;
Fig. 2a
eine Entwicklung eines Brennstoffstrahlbildes in Funktion der Zeit;
Fig. 2b
eine Ansicht eines Düsenlochs von ausserhalb des Düsenkopfs;
Fig. 2c
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 einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 2 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. 2a 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. 2b und 2c 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 (8)

  1. 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, wobei ein rotierender Störkörper (12) im Hohlraum (9) des Düsenkopfs (2) angeordnet ist, der rotierende Störkörper (12) eine zylinderförmige Oberfläche (12b) aufweist sowie eine Rotationsachse (A), die zylinderförmige Oberfläche (12b) mindestens eine Ausnehmung (12a) aufweist, welche bezüglich der Rotationsachse (A) geneigt verläuft, und der rotierende Störkörper (12) vom die Ausnehmung (12a) durchströmenden Brennstoff in Rotation versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderförmige Oberfläche (12b) vor einer Eintrittöffnung (6a) der kanalförmigen Durchbrechung (6) angeordnet ist, derart, dass der rotierende Störkörper (12) die Eintrittsöffnung (6a) der kanalförmigen Durchbrechung (6) periodisch abdeckt, um dadurch auf den austretenden Brennstoff ein turbulentes Strömungsverhalten zu bewirken.
  2. Düsenkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (9) mindestens im Bereich der kanalförmigen Durchbrechung (6) einen zylinderförmigen Abschnitt mit einer Symmetrieachse (B) aufweist, dass die Ausnehmung (12a) bezüglich der Rotationsachse (A) über die ganze Breite des rotierenden Störkörpers (12) verläuft, und dass der rotierende Störkörper (12) derart im Hohlraum (9) angeordnet ist, dass die Symmetrieachse (B) und die Rotationsachse (A) zusammenfallen.
  3. Düsenkopf (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Störkörper (12) als schrägverzahntes Stirnrad ausgebildet ist.
  4. Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Sackloch (11), an dessen Ende (9a) eine Kugel (14) aufliegt, auf welcher der rotierende Störkörper (12) aufliegt.
  5. Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalförmige Durchbrechung (6) mindestens eine in ihrer Längsrichtung verlaufende Nut (16) aufweist.
  6. Düsenkopf (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (16) spiralförmig verläuft.
  7. Brennstoffeinspritzdüse mit einem Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Dieselmotor mit einer Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 7.
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