EP2013470B1 - Verfahren zur reduzierung von ablagerungen innerhalb eines spritzlochs einer kraftstoffeinspritzvorrichtung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Ablagerungen innerhalb eines Spritzlochs einer Kraftstoffeinspritzvorrichutng gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs 1.
• Kraftstoffeinspritzvorrichtungen zum Betrieb einer Brennkraftmaschine sind generell seit vielen Jahren bekannt. Bei einem sogenannten Common-Rail Einspritzsystem erfolgt die Kraftstoffzuführung in den jeweiligen Brennraum der Brennkraftmaschine durch Injektoren, insbesondere durch Piezoinjektoren. Für verschiedene Fahrzustände werden unterschiedliche Eigenschaften von diesen Systemen gefordert, um Schadstoffemissionsgrenzen, Kraftstoffverbrauchsminimierung und auch Langlebigkeit des Systems und damit des Fahrzeugs zu gewährleisten.
• Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 13 011 A1 offenbart, bei welcher Kraftstoff mittels einer Einspritzdüse mit mehreren Einspritzbohrungen direkt in einen Arbeitsraum als Vor- und Haupteinspritzung eingespritzt wird. Um dabei die Benetzung der Brennraumwände mit Kraftstoff zu minimieren wird neben einer speziellen Gestaltung des Brennraumes und des Kolbenbodens vorgeschlagen, den Hub einer Düsennadel der Einspritzdüse derart einzustellen, dass eine Begrenzung der Reichweite der eingespritzten Kraftstoffstrahlen erzielt wird.
• Weiterhin wird in der US-Patentschrift US 4,208,014 A eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung vorgestellt, bei der eine spitze Düsennadel in einem Sackloch des Injektors ein Spritzloch, wahlweise öffnet oder verschließt. Dabei ist die Düsennadel so geformt und im Sackloch angeordnet, dass ein Öffnungsquerschnitt am Spritzloch in nahezu allen Positionen der Düsennadel kleiner ist als der Durchtrittsquerschnitt am Sitz der Düsennadel. Durch die vorgeschlagene Anordnung soll erreicht werden, dass der Kraftstoffdruck am Spritzloch, unabhängig vom Nadelhub und auch bei sehr geringen Nadelhüben, dem vollen Systemdruck entspricht.
• Mit zunehmender Leistungsdichte steigt bei modernen Verbrennungsmotoren die Tendenz zur Bildung von Ablagerungen in wenigstens einem Spritzloch. Auch können höhere Abgasrückführraten in den Brennraum zu vermehrten Ablagerungen in den Spritzlöchern führen. Diese Ablagerungen haben über die Laufzeit gesehen eine Reduzierung der eingebrachten Kraftstoffmenge, insbesondere bei Volllastbetrieb und damit eine Reduzierung der Motorleistung zur Folge. Weiterhin ergibt sich durch die Ablagerungen eine Erhöhung der Abgasemissionen durch Verkokung.
• Aus der Druckschrift DE 102 25 683 A1 ist ein Injektor mit wenigstens einem Spritzloch bekannt, welches eine Einrichtung zur gezielten Erzeugung von Kavitation an der Auslassöffnung des Spritzlochs oder über die gesamte Spritzlochlänge entfernt werden.
• Die Formgebung des Spritzlochs, die durch Ablagerungen innerhalb des Spritzlochs und durch die Auslassöffnung bestimmt wird, übt allerdings Einfluss auf die Einspritzstrahlaufbereitung aus und verschlechtert damit die Abgasemission bei einer Auslegung des Injektors auf eine Reduktion von Ablagerungen und/oder bei einer Auslegung des Injektors auf Verkoken.
• Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein Verfahren bereitzustellen, das eine Reduzierung der Ablagerungen ohne Variation der Formgebung wenigstens eines Spritzlochs ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine freie Auslegung der Formgebung des Spritzlochs, unabhängig von der Ablagerungsproblematik, nach Gesichtspunkten optimaler Emissionen und maximaler Leistung erfolgen kann.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass aufgrund eines variabel einstellbaren Spritzlocheintrittsdrucks innerhalb des Injektors genauere Einspritzmengen ermöglicht werden.
• Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
• Figur 1: eine schematische Skizze einer Düseneinheit (entspricht einem Ausschnitt eines Injektors) mit zwei Spritzlöchern und einer Düsennadel,
• Figur 2: einen Kraftstoffvolumenstromverlauf durch ein Spritzloch abhängig vom Nadelhub.
• Figur 1 zeigt eine schematische Skizze einer Düseneinheit mit zwei Spritzlöchern und einer Düsennadel. Dargestellt ist ein Düsenkörpergehäuse 5, innerhalb dessen sich beispielhaft zwei Spritzlöcher 1 befinden. Die Spritzlöcher 1 verbinden dabei ein Sackloch 6 mit einem Brennraum (in der Zeichnung nicht dargestellt). Über sie kann eine vorgebbare Kraftstoffmenge, abhängig vom einstellbaren Spritzlocheintrittsdruck, aus dem Sackloch 6 in den Brennraum strömen. Weiterhin ist eine Düsennadel 2 dargestellt, die durch ihre variabel einstellbare vertikale Position den Öffnungsquerschnitt des zwischen Düsenkörpergehäuse 5 und Düsennadel 2 vorgesehenen Drosselspalts 4 beeinflusst.
• Zur Reduzierung von Ablagerungen innerhalb des Spritzlochs 1 wird der Injektor in einer Sitzdrosselung gefahren. Sitzdrosselung liegt vor, wenn die Düsennadel 2 in Bezug auf einen maximalen Hub derart angesteuert wird, dass die kegelstumpfartig ausgebildete Fläche, die durch den Abstand zwischen Düsennadel und Düsenkörpergehäuse virtuell bestimmt wird, kleiner ist als die Austrittsquerschnittsfläche eines Spritzlochs 1 oder die Summe der Austrittsquerschnittsflächen mehrerer Spritzlöcher 1. Die kegelstumpfartige Fläche zwischen der Düsennadel 2 und dem Düsenkörpergehäuse 5 weist dabei senkrecht auf die Düsennadel 2 und verläuft axialsymmetrisch um die vertikale Achse.
• Durch die aufgrund der Verkleinerung des Öffnungsquerschnitts des Drosselspalts 4 entstehende Anhebung der turbulenten kinetischen Energie, und die in gewissen Bereichen entstehende Kavitation können Ablagerungen in den Spritzlöchern 1 vermieden werden.
• Zur Vermeidung von Ablagerungen können daher Reinigungssequenzen während der Laufzeiten über den Sitzdrosselbetrieb eingeführt werden. Da die Druckdifferenz zwischen dem Spritzlocheintrittsdruck und dem Spritzlochaustrittsdruck einen wesentlichen Einfluss auf das Verbrennungsverhalten ausübt, ist eine möglichst genaue Einstellung des Spritzlocheintrittsdrucks von großer Bedeutung. Die Drosselverluste, die durch den variabel veränderbaren Drosselspalt 4 entstehen und damit einen geringeren Spritzlocheintrittsdruck bewirken, können durch jeweils einen höheren Systemdruck ausgeglichen werden, ohne dabei Nachteile bei der Emission in Kauf nehmen zu müssen.
• Weiterhin besteht die Möglichkeit, Betriebspunkte in einem Motorkennfeld als Reinigungspunkte über einen Sitzdrosselbetrieb zu verwenden. Als besonders geeignet haben sich hier Betriebspunkte herausgestellt, die bei transientem Betrieb der Brennkraftmaschine hohe Druckgradienten zwischen Brennraum und Spritzloch durchlaufen. Diese Druckgradienten zwischen den einzelnen Betriebspunkten können dadurch reduziert werden, dass entsprechend niedrigere Lasten im Sitzdrosselbetrieb gefahren werden. Die Einstellung des Spritzlocheintrittsdrucks erfolgt dabei über die Sitzdrosselung, d.h. über den durch die Düsennadel 2 variabel einstellbaren Drosselspalt 4, bei z.B. konstantem Systemdruck. Weiterhin hat sich zur Reduzierung der Ablagerungen als besonders vorteilhaft erwiesen, dass Betriebspunkte mit hohen Lasten und Systemdrücken gefahren werden.
• Figur 2 zeigt einen Kraftstoffvolumenstromverlauf durch ein Spritzloch abhängig vom Nadelhub. In der Figur 2 ist in vertikaler Richtung der Volumenstrom und in horizontaler Richtung der Nadelhub aufgetragen.
• Der Volumenstromkennlinienverlauf 1 steigt dabei mit steigendem Nadelhub bis zum Punkt H1, bei dem der Nadelhub und somit der Drosselspalt maximal sind. Der Kraftstoffvolumenstromkennlinienverlauf 1 weist dabei mit steigendem Nadelhub einen ansteigenden Kennlinienverlauf mit gleichzeitig fallenden Volumenstromgradienten auf. Eine Sitzdrosselung liegt dabei im Bereich geringer Nadelhübe mit gleichzeitig starken Volumenstromgradienten vor, während hingegen mit steigendem Nadelhub und damit fallenden Volumenstromgradienten ein Übergang zu einer Lochdrosselung erfolgt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Reduzierung von Ablagerungen an wenigstens einem in einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung vorgesehenen Spritzloch (1) mit definierter Austrittsquerschnittsfläche welches ein im Gehäuse eines Injektors, insbesondere eines Piezoinjektors vorhandenes, die kegelstumpfartig ausgebildete Spitze einer Düsennadel (2) hohlkegelartig umgreifendes Sackloch (6) mit einem Brennraum einer Brennkraftmaschine verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass
   eine Reinigung des mindestens einen Spritzlochs (1)an bestimmten Betriebspunkten durchgeführt wird, indem diese Betriebspunkte in einem Motorkennfeld als Reinigungspunkte definiert sind, bei denen der Injektor in einem Sitzdrosselbetrieb betrieben wird, wobei der Sitzdrosselbetrieb definiert ist durch einen vekleinerten Öffnungsquerschnitt eines zwischen einem Düsenkörpergehäuse (5) und der Düsennadel (2) vorgesehenen Drosselspalts (4), so dass die Düsennadel (2) in Bezug auf einen maximalen Hub derart angesteuert wird, dass ein von dem Düsennadelende senkrecht zum Düsenkörpergehäuse (5) weisende Fläche der virtuellen Mantelfläche eines um die vertikale Düsennadelachse axialsymmetrisch angeordneten Kegelstumpf entspricht, die kleiner ist als die Austrittsquerschnittsfläche eines Spritzlochs (1) oder die Summe der Austrittsquerschnittsflächen mehrerer Spritzlöcher (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinigung des mindestens einen Spritzlochs (1) zu vorgegebenen Zeitpunkten durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselverluste im Drosselspalt (4) durch einen angehobenen Systemdruck ausgeglichen werden.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzlocheintrittsdruck bei vorgegebenem Systemdruck über die Drosselverluste im Drosselspalt (4) gesteuert wird.

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