EP1527277A1 - Kraftstoffinjektor - Google Patents

Kraftstoffinjektor

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Publication number
EP1527277A1
EP1527277A1 EP03790803A EP03790803A EP1527277A1 EP 1527277 A1 EP1527277 A1 EP 1527277A1 EP 03790803 A EP03790803 A EP 03790803A EP 03790803 A EP03790803 A EP 03790803A EP 1527277 A1 EP1527277 A1 EP 1527277A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
injector
spray
fuel
injection
injection nozzle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03790803A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Benedikt Ganz
Jean-Francois Gaudry
Hans Hartmann
Rolf Klenk
Andreas Mlejnek
Klaus Rossler
Helmut Scheffel
Dirk Strubel
Matthias Zahn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1527277A1 publication Critical patent/EP1527277A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1806—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for characterised by the arrangement of discharge orifices, e.g. orientation or size
    • F02M61/182—Discharge orifices being situated in different transversal planes with respect to valve member direction of movement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means

Definitions

  • the invention relates to a fuel injector for a direct injection gasoline engine of the type specified in the preamble of claim 1.
  • flammable fuel / air mixture In spark-ignited internal combustion engines, flammable fuel / air mixture must be provided in the combustion chamber at least in the area of the spark plug at the ignition point. It is known to inject a fuel cloud in the region of the spark plug, wherein in low load ranges a mixture cloud is formed only in the region of the spark plug and the engine can be operated with less fuel consumption. For targeted fuel injection with regard to the targeted formation of the fuel cloud in the region of the spark plug, injectors with injection nozzles having a plurality of injection openings are known, wherein a single fuel jet penetrates into the combustion chamber through each injection opening.
  • a fuel injection system for gasoline engines with a Mehrlochinjektor is known, wherein the injection openings are arranged in juxtaposition on the circumference of the injection nozzle and so a beam-guided combustion method is realized by forming a mixture cloud.
  • the injection openings on the circumference of the injection nozzle form a conical jet, with the individual fuel jets of the respective injection openings forming a closed or coherent fuel cloud in the form of cones.
  • the injection openings of the cone jet belt can also be arranged in two rows, whereby the density of the lateral surface of the cone beam can be improved and thus larger cone angles of the cone beam are possible.
  • the present invention has for its object to further develop the generic injector such that a continuous burning of the fuel cloud is guaranteed.
  • the surface of the injection nozzle is formed spherically, whereby the individual injection openings direct their fuel jets in different areas in the interior of the fuel cone.
  • at least one central injection opening is provided in the region of a longitudinal axis of the injector, wherein the central injection opening is preferably located on the longitudinal axis itself.
  • an arrangement of the injection openings in several parallel planes of the spherical injection nozzle with respect to the longitudinal axis of the injector is possible.
  • the uniform mixture distribution can be promoted by different cross-sectional sizes of the spray openings of different levels, by different spray angles of the spray openings in individual levels or by a combination of measures.
  • the injection openings are distributed uniformly over the entire surface of the injection nozzle, so as to maximize the optimum distribution of the products produced by them. fuel spray in the space around the injection nozzle.
  • the injection openings can be distributed on the available spherical surface of the injection nozzle in accordance with Randwertbetrachtungen, for example, using the Kollokationsmethode Cannuto.
  • a peripheral region of the injection nozzle which corresponds to the intended installation position of the injector relative position of a spark plug to the injector, at least one lying in this peripheral area injection port with respect to the position and / or the opening geometry such deviating form other injection ports that a fuel jet is generated with a smaller angle with the longitudinal axis of the injector. This creates a targeted gap in the fuel density of the cone shell and thus a notch-shaped incision in the cone cloud.
  • one or more of the injection openings deviating from their virtual position in a series of injection openings of the same axial height on the circumference of the injection nozzle is arranged closer to the injector axis in the corresponding circumferential position.
  • the formation of the notch can also be advantageous by forming the with respect to their jet pattern of adjacent Spray ports of the same axial height on the injection nozzle deviating spray opening can be achieved with a delivered in the direction of the longitudinal axis of the injector spray angle.
  • the distance between at least two adjacent injection openings can be increased.
  • the spray openings of the injection nozzle according to the invention are rounded by hydroerosive treatment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel injector with conical fuel injection
  • FIG. 2 shows embodiments for distributing the injection openings on the surface of the injection nozzle
  • FIG. 3 shows a table of the injection directions corresponding to FIG
  • Fig. 6 shows an arrangement of the injection holes to protect the
  • Fig. 1 shows a fuel injector 1 for a direct-injection gasoline engine, which has an injection nozzle 2 provided with a plurality of injection openings 2.
  • a nozzle needle not shown here is moved piezoelectrically in the interior of the injector 1 and builds up an overpressure in the fuel in the interior of the injection nozzle 2, which injects the fuel through the injection openings 5 in FIG forces the combustion chamber.
  • the injection pressure may be up to about 250 bar depending on the operating point of the internal combustion engine.
  • the surface 3 of the injection nozzle 2 is spherically shaped and takes in the embodiment shown approximately the contour of a hemisphere.
  • the Spritz ⁇ réelleen 5 are substantially uniformly distributed, wherein the fuel jets 9 of the individual injection ports 5 together form a cone beam 8.
  • the cone beam 8 is thereby generated substantially rotationally symmetrical to the longitudinal axis 4 of the injector 1, whereby a conical fuel cloud is formed in the combustion chamber.
  • a spatially oriented mixture cloud with the combustion air separately supplied combustion air is formed with the selectively injected fuel.
  • the mixture cloud is specifically formed in the region of a projecting into the combustion chamber spark plug, which ignites the mixture cloud by forming a spark.
  • the injection openings 5 are uniformly distributed on the surface 3 of the injection nozzle 2, wherein a portion of the injection openings 5 lined up on the circumference of the injection nozzle 2 form a cone beam belt 6 and define the jacket region of the conical fuel jet 8 with their fuel jets 18. Inside the annular cone beam belt 6 further injection ports 5 are provided, the fuel jets 9 are directed into the interior of the fuel cone 8. In this way, on the one hand, with the injection openings 5 of the cone beam belt 6, a coherent conical shell is produced and filled evenly with fuel through the further injection openings 5 of the inner region of the conical shell 18, as a result of which a conical jet 8 with uniform fuel distribution is produced.
  • a Mixture cloud are formed, which burns quickly after the ignition by the spark plug, as flame-retardant space areas are excluded in the mixture cloud due to low fuel concentrations.
  • a central injection opening 7 is particularly advantageously provided, which lies on the longitudinal axis 4 of the injector 1.
  • the injection openings 5 are arranged in several parallel planes 6, 10, 11, 7 with respect to the longitudinal axis 4 de injector, wherein the foremost level in the region of the tip of the injector 2, the central injection port 7 on the Longitudinal axis 4 and the lined up on the opposite side of the hemispherical injection nozzle 2 spray openings 5 form the cone beam belt 6.
  • the conical jet belt 6 with spray openings 5, which form the jacket area 18 of the conical jet 8, can also consist of a plurality of planes of spray openings 5.
  • the spray openings 5 of the different levels can have different spray angles, wherein in the case of the spray openings 5 in the cone beam belt 6 even at larger cone angles, a stable cover of the cone beam 8 can be generated and next supplied by appropriate choice of spray angles of other spray openings 5 of the interior evenly with fuel can be.
  • a uniform fuel distribution can be achieved by suitable selection of the cross-sectional sizes of the spray openings 5 in the individual planes become. Suitable jet characteristics can be achieved if the spray holes 5 are rounded by hydroerosive treatment. In this case, optimum results of the mixture formation and thus the combustion behavior of the fuel cloud at diameters of the injection openings 5 of less than 0.125 mm can be achieved.
  • the spray openings 5 can be determined depending on the intended number of spray holes 5 on the basis of Randwertbetrachtache on the Kollokationsansatz of Cannuto. This results in each of the spray opening 5 on the spherical injection nozzle 2 several Abspritztechnischen, as a result, the fuel cone 8 is supplied evenly with fuel from the individual openings 5.
  • Fig. 2 shows the possibilities of combining different spray directions in dependence on the number of spray openings 5.
  • a spherical section of the injection nozzle 2 is shown in the form of an Euler triangle, which is defined by a coordinate system with coordinate axes x, y and z perpendicular to one another.
  • An injection opening 5 defines in each case three small circles 15 of the spherical surface, which lie in each case parallel to the planes spanned by the coordinate system.
  • the projection straight line 16 results, which correspond in each case to an injection direction ⁇ , ⁇ and ⁇ .
  • the injection nozzle 2 of the injector 1 generates a substantially rotationally symmetric cone beam 8, which consists of mantle jets 18 and fuel jets in the interior of the cone beam 8 and is therefore characterized by a uniform fuel concentration over the entire cone area.
  • a spark plug 13 in a peripheral region of the injection nozzle 2 which corresponds to the relative position of the spark plug 13 at the intended installation position of the injector 1
  • at least one injection opening located in this peripheral region differs from the other injection openings of the same axial height formed of the injection nozzle 2, that in this peripheral region, a notch 12 is formed in the otherwise rotationally symmetrical to the longitudinal axis 4 formed cone beam.
  • the notch in the lateral region of the conical jet is achieved in that in this peripheral region of the conical jet fuel jets of individual injection openings are produced at a smaller angle to the longitudinal axis 4 of the injector 1 than comparable injection openings of the same height on the injection nozzle 2.
  • Die E- Electrodes of the spark plug 13, which protrude into the notch 12 thus formed in the cone beam 8, are not wetted with fuel due to the deflection of the fuel jet, so that the formation of deposits and coking under thermal stress is counteracted.
  • a design deviating from the rest of the peripheral region is made in the ring of the injection openings 5 in the cone beam belt 6 in the respective peripheral region.
  • an injection opening 17 is arranged displaced in the cone beam ring 6 in the peripheral region provided for the formation of the notch in a deviation from the virtual position A shown in FIG. 6a in the direction of the injector axis 4, see FIG. 6b.
  • the beam orientation of the deviating spray opening 17 of the fuel jet at a smaller angle to the longitudinal axis 4 of the injector for the purpose of forming the notch 12 in the conical surface can alternatively or additionally be selected by an added spraying angle of the injection opening 17 located in the relevant peripheral region of the spray opening row.
  • an increase in the distance of the adjacent injection openings in the relevant peripheral region of the openings of the cone beam belt 6 for forming the notch is available.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Ein Kraftstoffinjektor für eine direkt einspritzende Brennkraftmaschine umfasst eine Einspritzdüse 2, an deren Umfang mehrere Spritzöffnungen (5) zu einem Kegelstrahlgürtel (6) aneinandergereiht angeordnet sind zur Bildung einer im wesentlichen kegelförmigen kraftstoffwolke (8) aus den einzelnen Kraftstoffstrahlen (9) der jeweiligen Spritzöffnungen (5). Um dauerhaft ein Durchbrennen der Kraftstoffwolke zu gewährleisten, sind erfindugnsgemäss weitere Spritzöffnungen (5) innherhalb des vom Kegelstrahlgürtel (6) begrenzten Bereiches der Oberfläche (3) der Einspritzdüse (2) vorgesehen.

Description

Kraftstoffinj ektor
Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ist im Brennraum wenigstens im Bereich der Zündkerze zum Zündzeitpunkt entflammbares Kraftstoff/Luft-Gemisch bereitzustellen. Dabei ist bekannt, im Bereich der Zündkerze eine Kraftstoffwolke einzuspritzen, wobei in niedrigen Lastbereichen eine Gemischwolke nur im Bereich der Zündkerze gebildet wird und der Motor so mit geringerem Kraftstoff erbrauch betrieben werden kann. Zur gezielten Kraftstoffeinspritzung im Hinblick auf die gezielte Ausbildung der Kraftstoffwolke im Bereich der Zündkerze sind Injektoren mit mehrere Spritzöffnungen aufweisenden Einspritzdüsen bekannt, wobei durch jede Spritzöffnung ein einzelner Kraftstoffstrahl in den Brennraum eindringt. Aus der DE 39 43 816 C2 ist eine Mehrlochdüse für das Einspritzen des Kraftstoffs bekannt, bei der einige der Spritzöffnungen so ausgebildet sind, daß die durch sie erzeugten Kraftstoffstrahlen in einen Luftwirbel im Brennraum gerichtet sind, welcher den Kraftstoff der Einspritzstrahlen verdampft und innerhalb kürzester Zeit zur Zündkerze transportiert.
Aus der DE 198 04 463 AI ist ein Kraftstoffeinspritzsystem für Otto-Motoren mit einem Mehrlochinjektor bekannt, wobei die Einspritzöffnungen am Umfang der Einspritzdüse aneinandergereiht angeordnet sind und so ein strahlgeführtes Brenn- verfahren durch Bildung einer Gemischwolke realisiert wird. Die Spritzöffnungen am Umfang der Einspritzdüse bilden dabei einen Kegelstrahl, wobei die einzelnen Kraftstoffstrahlen der jeweiligen Spritzöffnungen eine geschlossene bzw. zusammenhängende Kraftstoffwolke in Kegelform bilden. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor können die Spritzöffnungen des Kegel- Strahlgürtels auch in zwei Reihen angeordnet werden, wodurch die Dichte der Mantelfläche des Kegelstrahls verbessert werden kann und damit auch größere Kegelwinkel des Kegelstrahls ermöglicht werden.
Mit der bekannten Anordnung der Spritzöffnungen zu einem Kegelstrahlgürtel kann zwar eine zusammenhängende Gemischwolke im Brennraum gebildet werden. Im Hinblick auf eine möglichst geringe Abgasemission und geringen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine ist ein möglichst optimales Brennverhalten der Gemischwolke anzustreben. Es hat sich gezeigt, daß durch schnelles Durchbrennen der Gemischwolke verbesserte Resultate erreicht werden können. Ein schnelles Durchbrennen der Gemischwolke ist jedoch bei einer kegelförmigen Kraftstoffeinspritzung mit dem bekannten Mehrlochinjektor nicht möglich. Auch kann bei Ablagerungen (Verkokungen) von einzelnen Spritzlöchern im Kegelstrahlgürtel der Flammenweg durch zu mageres Gemisch in der Kegelwolke behindert sein. Auch die bekannte Anordnung der Spritzlöcher in zwei Reihen über dem Umfang der Einspritzdüse kann dieses Problem nicht beheben, da allenfalls die Stärke kraftstoffreicher Schicht im Mantel- bereich der Kegelwolke vergrößert werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Injektor derart weiterzubilden, daß dauerhaft ein Durchbrennen der Kraftstoffwolke gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, innerhalb des von den Spritzöffnungen des Kegelstrahlgürtels begrenzten Bereiches der Oberfläche der Einspritzdüse weitere Spritzöffnungen vorzusehen, durch die gezielt Kraftstoff in das Innere der kegelförmigen Gemischwolke eingespritzt wird. Dadurch ergibt sich insgesamt eine gleichmäßigere Kraftstoff- Verteilung im Strahlkegel. Auf diese Weise wird der Bildung von Gebieten mageren Gemisches innerhalb der Kraftstoffwolke entgegengewirkt und ein schnelleres Durchbrennen der aus gleichmäßig verteiltem Kraftstoff gebildeten Gemischwolke ermöglicht .
Vorteilhaft ist die Oberfläche der Einspritzdüse sphärisch ausgebildet, wodurch die einzelnen Spritzöffnungen ihre Kraftstoffstrahlen in unterschiedliche Bereiche im Inneren des Kraftstoffkegels richten. In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist mindestens eine zentrale Spritzöffnung im Bereich einer Längsachse des Injektors vorgesehen, wobei die zentrale Spritzöffnung vorzugsweise auf der Längsachse selbst liegt. Dadurch wird Kraftstoff in den zentralen Bereich der kegelförmigen Gemischwolke eingespritzt, der von den Spritzöffnungen im Kegelstrahlgürtel nicht zu erreichen ist, so daß insgesamt die Gleichmäßigkeit der Kraftstoffverteilung im Strahlkegel gefördert wird.
Als Alternative ist eine Anordnung der Spritzöffnungen in mehreren parallelen Ebenen der sphärischen Einspritzdüse bezüglich der Längsachse des Injektors möglich. Auf der sphärischen Oberfläche der Einspritzdüse werden durch die einzelnen Spritzöffnungen in unterschiedlichen Ebenen große Raumbereiche des Einspritzkegels abgedeckt. Die gleichmäßige Gemischverteilung kann dabei durch unterschiedliche Querschnittsgrößen der Spritzöffnungen unterschiedlicher Ebenen, durch unterschiedliche Abspritzwinkel der Spritzöffnungen in einzelnen Ebenen oder durch eine Kombination der Maßnahmen gefördert werden.
Besonders vorteilhaft werden die Spritzöffnungen gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Einspritzdüse verteilt, um so eine möglichst optimale Verteilung auch der durch sie erzeug- ten Kraftstoffstrahlen im Raum um die Einspritzdüse zu erreichen. Die Spritzöffnungen können dabei auf der zur Verfügung stehenden Kugeloberfläche der Einspritzdüse verteilt werden nach Maßgabe von Randwertbetrachtungen, beispielsweise unter Ansatz der Kollokationsmethode nach Cannuto.
Zur Verbesserung der Entflammbarkeit und des Brennverhaltens der Gemischwolke ist nach der Erfindung vorgesehen, einen Um- fangsbereich der Einspritzdüse, welche an der vorgesehenen Einbaulage des Injektors der Relativlage einer Zündkerze zum Injektor entspricht, wenigstens eine in diesem Umfangsbereich liegende Spritzöffnung bezüglich der Lage und/oder der Öffnungsgeometrie derartig abweichend von anderen Spritzöffnungen auszubilden, daß ein Kraftstoffstrahl mit kleinerem Winkel mit der Längsachse des Injektors erzeugt wird. Dadurch entsteht gezielt eine Lücke in der Kraftstoffdichte des Kegelmantels und damit ein kerbenförmiger Einschnitt in der Kegelwolke. Auf diese Weise kann fettes Gemisch rotationssymmetrisch um die Längsachse des Injektors bzw. des von ihm erzeugten Kegelstrahls aufbereitet werden und dabei eine Benetzung der Zündkerze mit Kraftstoff vermieden werden, wenn die Zündkerze in den Bereich der ausgebildeten Kerbe im Gemischmantel einragt . Auf diese Weise kann ein strahlgeführtes Brennverfahren realisiert werden, ohne daß sich aufgrund der Benetzung der Zündkerze mit flüssigem Kraftstoff schädliche Ablagerungen auf der Zündkerze bilden können. Auf diese Weise wird Zündaussetzungen entgegengewirkt und zudem die Beanspruchung der Zündkerze durch hohen Hitzeschock verringert, so daß die Lebensdauer der Zündkerze erhöht wird.
Zur Ausbildung der Auskerbung im Kegelmantel durch den Kraftstoffstrahl wird in der entsprechenden Umfangslage eine oder mehrere der Spritzöffnungen abweichend von ihrer virtuellen Position in einer Reihe von Spritzöffnungen gleicher Axialhöhe am Umfang der Einspritzdüse näher an der Injektorachse angeordnet. Die Ausbildung der Kerbe kann auch vorteilhaft durch Ausbildung der bezüglich ihres Strahlbildes von benach- barten Spritzöffnungen gleicher Axialhöhe auf der Einspritzdüse abweichenden Spritzöffnung mit einem in Richtung zur Längsachse des Injektors zugestellten Spritzwinkels erreicht werden. Darüber hinaus kann zur Ausbildung der Kerbe im Gemischmantel, in die die Zündkerze einragen soll, im entsprechenden Umfangsbereich der Einspritzdüse der Abstand mindestens zweier benachbart liegender Spritzöffnungen vergrößert werden. Vorzugsweise werden die Spritzöffnungen der erfindungsgemäßen Einspritzdüse durch hydroerosive Behandlung verrundet .
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffinj ek- tors mit kegelförmiger Kraftstoffeinspritzung, Fig. 2 Ausfuhrungsformen zur Verteilung der Spritzöffnungen auf der Oberfläche der Einspritzdüse, Fig. 3 eine Tabelle der Spritzrichtungen entsprechend der
Anordnungen von Spritzöffnungen von Fig. 2, Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Injektors, Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Injektors mit die
Zündkerze schonender Kraftstoffeinspritzung, Fig. 6 eine Anordnung der Spritzlöcher zur Schonung der
Zündkerze .
Fig. 1 zeigt einen Kraftstoffinj ektor 1 für eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine, welcher eine mit mehreren Spritzöffnungen 5 versehene Einspritzdüse 2 aufweist. Zur Einspritzung wird im Inneren des Injektors 1 eine hier nicht dargestellte Düsennadel piezoelektrisch bewegt und baut im Inneren der Einspritzdüse 2 einen Überdruck im Kraftstoff auf, welcher den Kraftstoff durch die Spritzöffnungen 5 in den Brennraum zwingt. Der Einspritzdruck kann dabei abhängig vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bis etwa 250 bar betragen. Die Oberfläche 3 der Einspritzdüse 2 ist sphärisch geformt und nimmt im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa die Kontur einer Halbkugel ein. Am Umfang der sphärischen Einspritzdüse 2 sind die Spritzδffnungen 5 im wesentlichen gleichmäßig verteilt, wobei die Kraftstoffstrahlen 9 der einzelnen Spritzöffnungen 5 gemeinsam einen Kegelstrahl 8 ausbilden. Der Kegelstrahl 8 wird dabei im wesentlichen rotationssymmetrisch zu der Längsachse 4 des Injektors 1 erzeugt, wodurch im Brennraum eine kegelförmige Kraftstoffwolke gebildet wird. Nach Art des strahlgeführten Brennverfahrens wird mit dem gezielt eingespritzten Kraftstoff eine räumlich orientierte Gemischwolke mit der dem Brennraum separat zugeführten Verbrennungsluft gebildet. Die Gemischwolke wird dabei gezielt im Bereich einer in den Brennraum ragenden Zündkerze gebildet, welche die Gemischwolke durch Bildung eines Zündfunkens entflammt.
Die Spritzöffnungen 5 sind gleichmäßig auf der Oberfläche 3 der Einspritzdüse 2 verteilt, wobei ein Teil der Spritzöffnungen 5 am Umfang der Einspritzdüse 2 aneinandergereiht einen Kegelstrahlgürtel 6 bilden und mit ihren Kraftstoffstrahlen 18 den Mantelbereich des kegelförmigen KraftstoffStrahls 8 definieren. Im Inneren des ringförmigen Kegelstrahlgürtels 6 sind weitere Spritzöffnungen 5 vorgesehen, deren Kraftstoffstrahlen 9 in den Innenbereich des Kraftstoffkegeis 8 gerichtet sind. Auf diese Weise wird zum einen mit den Spritzöffnungen 5 des Kegelstrahlgürtels 6 ein zusammenhängender Kegelmantel erzeugt und durch die weiteren Spritzöffnungen 5 der Innenbereich des Kegelmantels 18 gleichmäßig mit Kraftstoff aufgefüllt, wodurch im Ergebnis ein Kegelstrahl 8 mit gleichmäßiger Kraftstoffverteilung erzeugt wird. Mit der gleichmäßigen Kraftstoffverteilung im Kegelstrahl 8 kann eine Gemischwolke gebildet werden, welche nach der Entflammung durch die Zündkerze rasch durchbrennt, da schwer entflammbare Raumbereiche in der Gemischwolke aufgrund geringer Kraft- stoffkonzentrationen ausgeschlossen sind. Zur Ausfüllung des Innenbereiches des Kraftstoffkegels ist zweckmäßig mindestens eine Spritzöffnung im Zentralbereich vorgesehen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist besonders vorteilhaft eine zentrale Spritzöffnung 7 vorgesehen, welche auf der Längsachse 4 des Injektors 1 liegt. Im Hinblick auf eine möglichst gleichmäßige Kraftstoffverteilung sind im gezeigten Ausführungsbeispiel die Spritzöffnungen 5 in mehreren parallelen Ebenen 6, 10, 11, 7 bezüglich der Längsachse 4 de Injektors angeordnet, wobei die vorderste Ebene im Bereich der Spitze der Einspritzdüse 2 die zentrale Spritzöffnung 7 auf der Längsachse 4 aufweist und die auf der gegenüberliegenden Seite der halbkugelförmigen Einspritzdüse 2 aufgereihten Spritzöffnungen 5 den Kegelstrahlgürtel 6 bilden. Der Kegel- Strahlgürtel 6 mit Spritzöffnungen 5, die den Mantelbereich 18 des Kegelstrahls 8 ausbilden, können auch aus mehreren E- benen von Spritzöffnungen 5 bestehen. Die Spritzöffnungen 5 der unterschiedlichen Ebenen können dabei verschiedene Abspritzwinkel aufweisen, wobei im Fall der Spritzöffnungen 5 im Kegelstrahlgürtel 6 auch bei größeren Kegelwinkeln eine stabile Manteldecke des Kegelstrahls 8 erzeugt werden kann und daneben durch entsprechende Wahl der Abspritzwinkel anderer Spritzöffnungen 5 der Innenbereich gleichmäßig mit Kraftstoff versorgt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich zu der Orientierung der Kraftstoffstrahlen 9 der Spritzöffnungen 5 durch den Abspritzwinkel der jeweiligen Öffnung 5 kann eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung durch geeignete Auswahl der Querschnittsgrößen der Spritzδffnungen 5 in den einzelnen Ebenen erreicht werden. Geeignete Strahlcharakteristiken sind erreichbar, wenn die Spritzlöcher 5 durch hydroerosive Behandlung verrundet sind. Dabei können optimale Resultate der Gemischbildung und damit des Brennverhaltens der Kraftstoffwolke bei Durchmessern der Spritzöffnungen 5 von weniger als 0,125 mm erreicht werden.
Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Spritzöffnungen 5 auf der sphärischen Oberfläche 3 der Einspritzdüse 2 zu erreichen, können die Spritzöffnungen 5 in Abhängigkeit von der vorgesehenen Anzahl der Spritzlöcher 5 auf der Grundlage von Randwertbetrachtungen nach dem Kollokationsansatz von Cannuto bestimmt werden. Dabei ergeben sich für jede der Spritzöffnung 5 auf der sphärischen Einspritzdüse 2 mehrere Abspritzrichtungen, wobei im Ergebnis der Kraftstoffkegel 8 gleichmäßig mit Kraftstoff von den einzelnen Öffnungen 5 versorgt wird.
Fig. 2 zeigt die Möglichkeiten der Kombination verschiedener Spritzrichtungen in Abhängigkeit von der Anzahl der Spritzöffnungen 5 auf. In jedem der vier gezeigten Ausführungsbei- spiele ist jeweils ein Kugelausschnitt der Einspritzdüse 2 in Form eines Eulerdreiecks gezeigt, welches durch ein Koordinatensystem mit senkrecht aufeinander stehenden Koordinatenachsen x, y und z festgelegt wird. Eine Spritzöffnung 5 definiert dabei jeweils drei Kleinkreise 15 der Kugeloberfläche, welche jeweils parallel zu den durch das Koordinatensystem aufgespannten Ebenen liegen. Durch Projektion der Kleinkreise 15 auf die Koordinatenebenen ergeben sich die Projektionsgeraden 16, welche jeweils einer Spritzrichtung ξ , η und μ entsprechen. Die Möglichkeiten der Strahlrichtungen bei entsprechender Anordnung der Spritzöffnungen 5 auf den Kugeldreiecken sind in der Tabelle nach Fig. 3 zusammengestellt. Bei der Anordnung einer Spritzöffnung 5 auf dem Kugeldreieck ge- maß Darstellung S2 ergeben sich somit vier mögliche Strahlrichtungen. Bei der Anordnung dreier Spritzöffnungen gemäß Darstellung S4 stehen zwölf mögliche Strahlorientierungen zur Verfügung. Entsprechend sind bei einer Anordnung von sechs Spritzδffnungen 5 wie in S6 gezeigt, wobei jeweils drei Spritzöffnungen 5 auf einem gemeinsamen Kleinkreis der Kugel liegen, bereits 24 Strahlrichtungen gegeben. Die Anordnung S44 stellt eine Alternative Möglichkeit der Anordnung von sechs Spritzöffnungen auf dem Kugelsegment dar, wobei sich e- benfalls bei der Anzahl der Spritzöffnungen 24 Strahlrichtungen ergeben, jedoch - wie in Fig. 3 aufgelistet - andere Strahlrichtungen zur Verfügung stehen. Weitere Möglichkeiten zur Anordnung der Spritzlöcher auf dem Kugelsegment und die Kombination der Anordnungen sind in Fig. 3 vorgeschlagen.
Wie Fig. 4 zeigt, erzeugt die Einspritzdüse 2 des Injektors 1 einen im wesentlichen rotationssymmetrischen Kegelstrahl 8, der aus Mantelstrahlen 18 und Kraftstoffstrahlen im Inneren des Kegelstrahls 8 besteht und daher durch eine gleichmäßige Kraftstoffkonzentration über den gesamten Kegelbereich gekennzeichnet ist. Wie Fig. 5 zeigt, wird zur Schonung einer Zündkerze 13 in einem Umfangsbereich der Einspritzdüse 2, welche an der vorgesehenen Einbaulage des Injektors 1 der Relativlage der Zündkerze 13 entspricht, wenigstens eine in diesem Umfangsbereich liegende Spritzöffnung derart abweichend von den anderen Spritzöffnungen gleicher Axialhöhe auf der Einspritzdüse 2 ausgebildet, daß in diesem Umfangsbereich eine Kerbe 12 in dem ansonsten rotationssymmetrisch zu der Längsachse 4 ausgebildeten Kegelstrahl erzeugt wird. Die Kerbe im Mantelbereich des Kegelstrahls wird dadurch erreicht, daß in diesem Umfangsbereich des Kegelstrahls Kraftstoffstrahlen einzelner Spritzöffnungen mit kleinerem Winkel zur Längsachse 4 des Injektors 1 erzeugt werden als vergleichbare Spritzöffnungen gleicher Höhe auf der Einspritzdüse 2. Die E- lektroden der Zündkerze 13 , welche in die so gebildete Kerbe 12 im Kegelstrahl 8 einragen, werden aufgrund der Ablenkung des KraftstoffStrahls nicht mit Kraftstoff benetzt, so daß der Bildung von Ablagerungen und Verkokungen bei thermischer Beanspruchung entgegengewirkt ist.
Zur Ausbildung der Kerbe 12 wird in dem Ring der Einspritzöffnungen 5 im Kegelstrahlgürtel 6 im betreffenden Umfangsbereich eine vom restlichen Umfangsbereich abweichende Gestaltung vorgenommen. Wie Fig. 6a und 6b zeigen, wird in dem Kegelstrahlring 6 in dem für die Ausbildung der Kerbe vorgesehenen Umfangsbereich eine Spritzöffnung 17 abweichend von der in Fig. 6a dargestellten virtuellen Position A in Richtung auf die Injektorachse 4 verschoben angeordnet, siehe Fig. 6b. Die Strahlorientierung der abweichenden Spritzöffnung 17 des KraftstoffStrahls mit kleinerem Winkel zur Längsachse 4 des Injektors zum Zweck der Ausbildung der Kerbe 12 im Kegelmantel kann alternativ oder zusätzlich durch einen zugestellten Spritzwinkel der im betreffenden Umfangsbereich der Spritzoffnungsreihe liegenden Spritzöffnung 17 gewählt werden. Als weitere Alternative steht eine Vergrößerung des Abstandes der benachbart liegenden Spritzöffnungen in dem fraglichen Umfangsbereich der Öffnungen des Kegelstrahlgürtels 6 zur Ausbildung der Kerbe zur Verfügung.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Kraftstoffinjektor für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, mit einer Einspritzdüse (2), an deren Umfang mehrere Spritzöffnungen (5) zu einem Kegelstrahlgürtel (6) aneinandergereiht angeordnet sind zur Bildung einer im wesentlichen kegelförmigen Kraftstoffwolke aus den einzelnen Kraftstoffstrahlen (9) der jeweiligen Spritzöffnungen (5) , d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß innerhalb des vom Kegelstrahlgürtel (6) begrenzten Bereiches der Oberfläche (3) der Einspritzdüse (2) weitere Spritzöffnungen (5) vorgesehen sind.
2. Injektor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Oberfläche der Einspritzdüse (2) sphärisch ausgebildet ist.
3. Injektor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens eine zentrale Spritzöffnung (7) im Bereich einer Längsachse (4) des Injektors (1) vorgesehen ist, vorzugsweise eine Spritzöffnung (7) auf der Längsachse (4) liegt.
4. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Spritzöffnungen (5) in mehreren parallelen Ebenen (6, 7, 10, 11) bezüglich der Längsachse (4) vorgesehen sind.
5. Injektor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spritzöffnungen (5) unterschiedlicher Ebenen (6,
7, 10, 11) verschiedene Abspritzwinkel aufweisen.
6. Injektor nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spritzöffnungen (5) unterschiedlicher Ebenen (6, 7, 10, 11) verschiedene Querschnittsgrößen aufweisen.
7. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spritzöffnungen (5) gleichmäßig über die Oberfläche (3) der Einspritzdüse (2) verteilt sind.
8. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in einem Umfangsbereich der Einspritzdüse (2) , welche an der vorgesehenen Einbaulage des Injektors (1) der Relativlage einer Zündkerze (13) zum Injektor (1) entspricht, wenigstens eine in diesem Umfangsbereich liegende Spritzöffnung (5) bezüglich der Lage und/oder der Öffnungsgeometrie derart abweichend von anderen Spritzöffnungen (5) gleicher Axialhöhe auf der Einspritzdüse (2) angeordnet ist, daß ein Kraftstoffstrahl (9) mit reduziertem Winkel zur Längsachse (4) des Injektors (1) erzeugt wird.
9. Injektor nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die wenigstens eine abweichende Spritzöffnung (17) näher an der Injektorachse (4) angeordnet wird als eine virtuelle Position (A) in einer Reihe von Spritzöffnungen (5) gleicher Axialhöhe auf der Einspritzdüse (2) .
10. Injektor nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die wenigstens eine abweichende Spritzöffnung (17) mit einem in Richtung zur Längsachse (4) des Injektors zugestellten Spritzwinkel ausgebildet ist.
11. Injektor nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem Umfangsbereich der Einspritzdüse (2) , welche an der vorgesehenen Einbaulage des Injektors (1) der Relativlage einer Zündkerze (13) in bezug auf den Injektor entspricht, der Abstand mindestens zweier benachbart liegender Spritzöffnungen (5) vergrößert ist.
12. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spritzlöcher (5) durch hydroerosive Behandlung verrundet sind.
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