Kraftstoffeinspritzdüse einer Brennkraftmaschine mit
Direkteinspritzdüse
Die Erfindung betrifft eine nach außen öffnende Kraftstoff- einspritzdüse für eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, insbesondere eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Beim Betrieb neuer direkteinspritzender Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung werden Verbesserungen der Gemischbildung durch den Einsatz von modernen Kraftstoffeinspritzdüsen erzielt, wobei fertigungsbedingte Toleranzabweichungen die Verbrennung und dadurch die Emissionsbildung negativ beeinflussen.
Aus der Patentschrift DE 196 42 653 Cl ist ein Verfahren zur Gemischbildung einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung bekannt, mit dem bei der Kraftstoffeinspritzung ein Öffnungshub eines Ventilgliedes relativ zu einem Ventilsitz eines Injektors erfolgt und die Einspritzzeit variabel, einstellbar ist, wodurch eine dynamische Beeinflussung eines Einspritzwinkels und auch des Kraftstoffmassenstroms ermöglicht wird.
Weiterhin ist aus der DE 100 12 91 AI ein Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoffluftgemisches bekannt, bei dem der Kraftstoff in mindestens zwei Teilmengen in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht wird, wobei der Verschlusskörper einer Einspritzdüse nach dem Einspritzvorgang einer Teilmenge in seine Schließstellung bringbar ist. Der Kraftstoffstrahl wird bis zum Austritt dadurch beschleu-
nigt, da sich die Düsenöffnung mit einem kurven- oder para- belförmigen Austrittquerschnitt zum Austritt hin stetig verjüngt.
Da bei den Kraftstoffeinspritzdüsen fertigungsbedingt unterschiedliche Kraftstoffstrahlbilder zustande kommen, die die Gemischbildung und dadurch die erzielte Verbrennung unterschiedlich beeinflussen, müßten vor dem Einbau solcher Kraftstoffeinspritzdüsen in einer Brennkraftmaschine kaum durchführbare Verbesserungen an der jeweiligen Geometrie der Kraftstoffeinspritzdüse vorgenommen werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einfache Maßnahmen an der Kraftstoffeinspritzdüse einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine vorzunehmen, durch die eine Verbesserung der Verbrennung trotz Fertigungstoleranzen erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kraftstoffeinspritzdüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse zeichnet sich durch einen nach außen öffnenden Verschlusskörper, ein Düsengehäuse mit einem Düsensitz und einer Düsennadel aus, wobei bei der Kraftstoffeinspritzdüse der mittels der Düsennadel bewegbare Verschlusskörper an einer Dichtfläche des Düsensitzes während einer Schließposition anliegt, und während einer Betriebsposition nach außen bewegt wird, so dass der Kraftstoff durch einen ausgebildeten Spalt zwischen dem Düsensitz und dem Verschlusskörper in Form eines Hohlkegels in einen Brennraum der Brennkraftmaschine' eingebracht wird, wobei am Düsensitz und/oder am Verschlusskörper im Bereich der Dichtfläche mindestens ein Turbulenzhohlraum vorgesehen ist .
Durch den Turbulenzhohlraum wird während der Einspritzung des Kraftstoffes eine verbesserte Zerstäubung der eingespritzten Kraftstofftropfchen sichergestellt, um günstige Bedingungen
für die anschließende Gemischbildung zu erzielen. Dies geschieht dadurch, dass der Kraftstoff beim EinspritzVorgang durch den von dem Verschlusskörper freigegebenen Querschnitt in den Brennraum derart eintritt, dass in Folge einer erhöhten Strömungsturbulenz der eingespritzte Kraftstoffstrahl in kleine Kraftstofftropfen aufgebrochen wird. Durch die Anbringung der Turbulenzhohlräume bzw. Taschen oder Ausnehmungen in der Oberfläche des Verschlusskörpers und/oder in der Oberfläche des Düsensitzes wird die Turbulenz der KraftstoffStrömung in der Einspritzdüse kurz vor dem Austritt des Kraftstoffes in den Brennraum erhöht, wodurch der Aufbruch von Kraftstoff- lamellen verstärkt wird, so dass kleinere Tropfen erzielt werden. Dadurch dass die Zerstäubungseigenschaften des eingespritzten KraftstoffStrahles verbessert werden, können fertigungsbedingte Toleranzabweichungen ausgeglichen, und dadurch die Eigenschaften der motorischen Verbrennung insbesondere Verbrauch und Emissionen verbessert werden.
Insbesondere bei den direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung muß innerhalb kürzester Zeit ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisches im Bereich der Zündkerze vorliegen. Die Kraftstoffeinspritzdüsen unterliegen jedoch fertigunbedingt einem gewissen Streuband, was zu unterschiedlichen Erscheinungsbildern des Einspritzstrahls führt. Durch die erzielte Turbulenzerhöhung kurz vor dem Strahlaustritt wird eine durch Fertigungstoleranzen auftretende bzw. verursachte Strahlbildschwankungen insbesondere im Bereich der Rezirkula- tionsgebiete ausgeglichen und somit eine Annäherung an das geforderte Idealstrahlbild erzielt.
Weiterhin wird durch die Turbulenzerhöhung ein verstärkter Aufbruch der Kraftstofflamelle und somit kleinere Tropfen erzielt, wobei durch die kleineren Tropfen eine verstärkte Verdampfung einsetzen kann, und eine Verringerung der Penetration der Kraftstofftropfen erzielt, so dass eine Kraftstoffkol- benbenetzung bei einer späten Kraftstoffeinspritzung im Kompressionshub reduziert wird.
In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass jeweils in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche des Düsensitzes mindestens ein Turbulenzhohlraum und in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche des Verschlusskörpers ebenso ein Turbulenzhohlraum angeordnet sind, so dass zwei Turbulenzhohlräume während einer Betriebsposition der Kraftstoffeinspritzdüse relativ zur Strahlachse gegenüberliegend angeordnet sind. Durch die Anbringung von zwei Ausnehmungen in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche wird eine Turbulenzerhöhung der Dü- seninnerströmung im Spaltbereich zwischen dem Düsensitz und dem Verschlusskörper derart erhöht, dass ein verstärkter Kraftstoffzerfall erzielt wird. Dadurch können Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden, d.h. durch die auftretenden Fertigungsfehler wird das Strömungsverhalten des eingespritzten Kraftstoffes aus der Einspritzdüse kaum beeinflußt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche des Düsensitzes und in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche des Verschlusskörpers mindestens ein Turbulenzhohlraum derart vorgesehen, dass zwei Tur- bulenzhohlraume während einer Betriebsposition relativ zur Strahlachse zueinander versetzt angeordnet sind. Dadurch werden ebenso die Zerstäubungseigenschaften des Kraftstoffes im Brennraum verstärkt, wodurch die Eigenschaften der motorischen Verbrennung weiter verbessert werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zwischen dem Düsensitz und dem Verschlusskörper im Spaltbereich zwei Turbulenzhohlräume in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche des Düsensitzes angebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen dem Düsensitz und dem Verschlusskörper im Spaltbereich zwei Turbulenzhohlräume in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche des Verschlusskörpers angeordnet . Durch diese Maßnahme werden die im Innenbereich des eingespritzten KraftStoffhohl-
kegels erzielten Tropfen weiter verkleinert und deren Penetration bis zu einer Kolbenoberfläche verhindert. Gerade bei einem strahigeführten Brennverfahren wirkt sich diese Maßnahme sehr positiv aus, da der Kraftstoff sehr spät im Kompressionshub eingespritzt wird und eine Kolbenbenetzung mit Kraftstoff verhindert werden muß.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden am Düsensitz und am Verschlusskörper der Kraftstoffeinspritzdüse mindestens zwei Turbulenzhohlräume in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche des Düsensitzes und mindestens zwei Turbulenzhohlräume in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche des Verschlusskörpers in eine Hubrichtung entlang der Dichtfläche nacheinander derart ausgebildet, dass jeweils zwei Turbulenzhohlräume während einer Betriebsposition der Kraftstoffeinspritzdüse gegenüberliegend angeordnet sind. Dadurch werden weiterhin die Zerstaubungseigenschaften der eingespritzten Kraftstofftropfen verstärkt, wodurch durch die gezielte Tur- bolenzgenerierung im gesamten Bereich des eingespritzten KraftstoffStrahles eine durch Fertigungstoleranzen auftretende Turbulenzdifferenz überdeckt und somit eine Annäherung an das notwendige Strahlbild reicht. Alternativ können die am Sitz und die am Verschlusskörper angeordneten Turbulenzhohlräume derart ausgebildet werden, dass jeweils die zwei Hohlräume während einer Betriebsposition relativ zur Strahlachse zueinander versetzt angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche des Düsensitzes und/oder in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche des Verschlusskörpers angeordnete Turbulenzhohlraum in Form einer nach innen ausgebildeten Nut entlang einer Umfangsflache ausgebildet . Dadurch wird der eingespitzte Kraftstoffhohlkegel in allen Bereichen mit einer erhöhten Turbulenz beauftragt, so dass der Aufbruch der Kraftstofflamellen verstärkt wird und somit kleinere Tropfen in den Brennraum eingespritzt werden.
Die vorherigen erwähnten Maßnahmen werden bevorzugt bei Einspritzdüsen vorgenommen, die bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung verwendet werden, in denen der Kraftstoff als Hohlkegel eingespritzt und insbesondere ein strahlgeführtes Brennverfahren vorliegt . Bei solchen Brennkraftmaschinen erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes derart, dass am Ende des Kraftstoffhohlkegels ein torusförmiger Wirbel ausgebildet wird, wobei im Brennraum einer solchen Brennkraftmaschine eine Zündkerze derart angeordnet ist, dass die Elektroden der Zündkerze außerhalb des eingespritzten Kraftstoffhohlkegels liegen und in den gebildeten torusförmigen Wirbel einragen. Durch die Anordnung der Turbulenzhohlräume in bzw. unmittelbar vor der Dichtfläche des Düsensitzes wird die Turbulenz gerade im äußeren Bereich des eingespritzten Kraftstoffhohl- kegeis erhöht, wodurch die Bildung des torusförmigen Randwirbels ausgeprägter stattfindet. Bei einem strahlgeführten Brennverfahren wird eine notwendige Symmetrie des erzielten torusförmigen Wirbels durch die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzdüse beibehalten und eine Verkippung des erzielten Wirbels verhindert. Das führt dazu, dass das Auftreten von Zündaussetzern vermieden wird.
Weitere Merkmale und Merkmalkombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Eine Schnittdarstellung einer nach außen öffnenden Kraftstoffeinspritzdüse,
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines ausgebildeten Spaltes zwischen dem Düsensitz und dem Verschlusskörper der Kraftstoffeinspritzdüse mit vier Turbulenzhohlräumen,
Fig. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Dichtfläche im Bereich eines ausgebildeten Spaltes zwischen
dem Düsensitz und dem Verschlusskörper der Kraftstoffeinspritzdüse aus Fig. 2,
Fig. 3a eine vergrößerte Schnittdarstellung der in Fig. 3 gezeigten Turbulenzhohlräume,
Fig. 4 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Schnittfläche im ausgebildeten Spaltbereich zwischen dem Düsensitz und dem Verschlusskörper mit versetzten Turbolenzhohlräumen,
Fig. 4a eine vergrößerte Schnittdarstellung der in Fig. 4 gezeigten Turbulenzhohlräumen,
Fig. 5 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Dichtfläche im ausgebildeten Spaltbereich zwischen dem Düsensitz und dem Verschlusskörper mit zwei Turbulenzhohlräumen in der Dichtfläche des Verschluss- kδrpers ,
Fig. 5a eine vergrößerte Schnittdarstellung der in Fig. 5 gezeigten Turbulenzhohlräumen,
Fig. 6 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Dichtfläche im ausgebildeten Spaltbereich zwischen dem Düsensitz und dem Verschlusskörper mit zwei Turbulenzhohlräumen in der Dichtfläche des Verschluss- körpers ,
Fig. 6a eine vergrößerte Schnittdarstellung der in Fig. 6 gezeigten Turbulenzhohlräumen,
Fig. 7 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Dichtfläche im ausgebildeten Spaltbereich zwischen dem Düsensitz und dem Verschlusskörper mit zwei in der Dichtfläche des Düsensitzes ausgebildeten Turbulenzhohlräumen, und
Fig. 7a eine vergrößerte Schnittdarstellung der -in Fig. 7 gezeigten Turbulenzhohlräumen.
Fig. 1 zeigt eine Kraftstoffeinspritzdüse 1 mit einer Düsennadel 2 und einem Verschlusskörper 5 wobei ein Gehäuse 3 der Kraftstoffeinspritzdüse 1 im brennraumseitigen Bereich einen Düsensitz 4 aufweist, der in einer Schließposition des Verschlusskörpers 5 durch dessen Anlegen an einer Dichtfläche die Kraftstoffeinspritzdüse verschließt. Der Verschlusskörper 5 ist an seinem oberen Ende durch die Düsennadel 2 mit einer nicht dargestellten Stelleinrichtung verbunden. Vorzugsweise wird hier ein Piezoaktor verwendet, der sich unter elektrischer Spannung ausdehnt und gemäß der angelegten Spannung einen Betriebshub des Verschlusskörpers 5 bewirken kann. Die Dichtheit der Kraftstoffeinspritzdüse wird mechanisch durch eine nicht dargestellte Rückstellfeder gewährleistet. Der Verschlußkörper wird mittels der Düsennadel 2 in eine Betriebsposition gebracht, wodurch sich ein Spalt 6 zwischen dem Verschlusskörper 5 und dem Düsensitz 4 einstellt .
Gemäß Fig. 2 wird der Verschlusskörper 5 in eine Betriebsposition (Offenstellung) mittels einer Hubrichtung 9 gebracht, so dass der Kraftstoff durch den Spalt 6 in einen Brennraum 8 hineinströmen kann. Die in Fig. 2 gezeigten Turbulenzhohlräume 7 sind sowohl in der Dichtfläche des Verschlusskörpers 5 als auch in der Dichtfläche des Düsensitzes 4 derart ausgebildet, dass der durch den Spalt 6 austretende Kraftstoff- strahl 10 mit einer Turbulenzerhöhung in den Brennraum 8 hineinströmt, welche den Zerfall des Kraftstoffes verstärkt.
Der durch den ausgebildeten Spalt 6 aus der Kraftstoffeinspritzenden Düse austretende Kraftstoffstrahl 10 wird gemäß Fig. 3 in den Brennraum 8 mit einer erhöhten Turbulenz hineingespritzt, so dass sich kleine Tröpfchen beim Eintreten in den Brennraum 8 bilden, wodurch eine optimale Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes erzielt wird. Die erfindungsgemä-
ße Kraftstoffeinspritzdüse wird bevorzugt bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung verwendet, bei denen ein sog. strahlgeführtes Brennverfahren vorliegt. Demnach wird der Kraftstoff in einem Schichtladebetrieb vorzugsweise im Kompressionshub derart eingespritzt, dass mit dem eingespritzten Kraftstoffhohlkegel ein torusförmiger Wirbel im Brennraum 8 ausgebildet wird. Bei einem solchen Brennverfahren, wird eine für die Zündung vorgesehene Zündkerze derart im Brennraum 8 angeordnet, dass die Elektroden der Zündkerze in den erzielten torusförmigen Wirbel hineinragen, wobei sie während der Kraftstoffeinspritzung außerhalb der Mantelfläche des Kraft- stoffhohlkegels liegen. Um eine optimale Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes zu erzielen, ist es notwendig einen symmetrischen und gleichmäßigen torusförmigen Wirbel auszubilden, so dass eine Verkippung des Wirbels nicht stattfindet. Durch die erzielte Turbulenzerhöhung im eingespritzten Kraftstoffhohlkegel wird eine gleichmäßige Kraftstoff erteilung erreicht und eine Verkippung des ausgebildeten torusförmigen Wirbels verhindert.
Gemäß Fig. 4 werden in einer Betriebsposition des Verschluss- körpers 5 die im Spaltbereich zwischen dem Düsensitz 4 und dem Verschlusskörper 5 ausgebildeten Hohlräume versetzt angeordnet, so dass eine erhöhte Turbulenz im eingespritzten Kraftstoffstrahl 10 an unterschiedlichen Stellen erzielt wird.
Gemäß Fig. 5 und 6 sind weitere erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dargestellt, bei den in der Dichtfläche des Verschlusskörpers zwei Turbulenzhohlräume 7 angebracht sind, mit denen eine verstärkte Turbulenz des eingespritzten KraftstoffStrahles erzielt wird, wobei gemäß Fig. 6 die angebrachten Turbulenzhohlräume 7 in einem Bereich angeordnet sind, der vom Brennraum weiter entfernt ist als der Bereich gemäß Fig. 5 und 5a.
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Gemäß Fig. 7 und 7a werden die Turbulenzhohlräume in der Dichtfläche des Düsensitzes angebracht, so dass bei dem Kraftstoffhohlkegel im äußeren Bereich eine Turbulenzerhöhung erzielt wird, so dass der für das strahlgeführte Brennverfahren notwendige torusförmiger Wirbel verstärkter ausgebildet wird. Ziel ist es dabei, einen symmetrischen Wirbel und eine gleichmäßige ' Kraftstoffverteilung im äußeren Bereich zu erzielen, so dass eine unerwünschte Verkippung des gebildeten Wirbels verhindert wird. Weiterhin soll dadurch die Bildung von Strähnen am Ende des Kraftstoffhohlkegels vermieden werden.
Durch die gezeigten Beispiele wird mittels der vorgeschlagenen Kraftstoffeinspritzdüse eine optimale Verbrennung ermöglicht und eine ausgeprägte torusförmige Wirbelbildung bei einem strahlgeführten Brennverfahren erzielt, welche durch den verstärkten Zerfall der Kraftstoffteilchen im Randbereich des Wirbels erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist der Ausgleich von Fertigungsungenauigkeiten beim Herstellen von Kraftstoffeinspritzdüsen, welche im allgemeinen die Gemischbildung bei den direkteinspritzenden Brennkraftmaschinen insbesondere mit Fremdzündung negativ beeinflussen.
Vorzugsweise wird bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen die Kraftstoffeinspritzdüse derart ausgebildet, dass der aus der Einspritzdüse austretende Kraftstoffhohlkegel mit einem Strahlwinkel zwischen 70° und 100° ausgebildet wird. Weiterhin werden die gemäß der Erfindung im Düsensitz oder am Verschlusskörper angebrachten Hohlräume in ihrer Form flexibel ausgebildet, d.h. es ist denkbar, dass diese Turbulenzhohlräume alle denkbaren geometrischen Formen annehmen können, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Turbulenzhohlräumen flexibel gestaltet werden kann. Vorzugsweise weisen alle Turbulenzhohlräume zum Brennraum hin mindestens einen Abstand von 60μm auf, so dass genügend Dichtfläche zum Abdichten der Kraftstoffeinspritzdüse vorhanden ist. Insbesondere weisen die Turbulenzhohlräume eine Tiefe von 30μm sowohl
im Düsensitzbereich als auch im Verschlußkörperbereich auf. Es ist vorteilhaft, dass beim Anbringen von mehreren Turbulenzhohlräumen sie derart anzubringen, dass die zueinander mit einem Abstand von etwa 60μm beabstandet sind. Es ist weiterhin denkbar, dass die Turbulenzhohlräume in einem Bereich innerhalb der Kraftstoffeinspritzdüse angebracht werden, der an den Bereich der Dichtfläche angrenzt, so dass eine gewisse Turbulenzerhöhung des Kraftstoffes erzielt wird, bevor der Kraftstoff in den Spalt 6 zwischen dem Düsensitz und dem Verschlusskörper hineinströmt. Es ist weiterhin denkbar, dass auf jeder Seite des Düsensitzes als auch auf der Seite des Verschlusskörpers mehrere Turbulenzhohlräume mit unterschiedlichen geometrischen Ausnehmungen angebracht werden.