WO2020165204A1 - Verfahren zum herstellen einer einspritzdüse zum einspritzen von kraftstoff in einen brennraum einer brennkraftmaschine und düsenanordnung mit einer einspritzdüse - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer einspritzdüse zum einspritzen von kraftstoff in einen brennraum einer brennkraftmaschine und düsenanordnung mit einer einspritzdüse Download PDF

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injection
combustion chamber
nozzle
fuel
openings
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PCT/EP2020/053530
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Thomas Kuegler
Gerhard Suenderhauf
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing an injection nozzle which is used for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, preferably an internal combustion engine that operates on the principle of self-ignition.
  • the fuel is introduced directly into the combustion chamber, i.e. independent of the charge air, the fuel is injected into the combustion chamber at the optimum point in time under high pressure, where it is ignited by the compressed and correspondingly hot air in the combustion chamber.
  • Injectors are used to inject the fuel, which are connected to fuel under high pressure and in which a movable valve element - usually in the form of a nozzle needle - is present.
  • the nozzle needle is moved electro-magnetically in the longitudinal direction and periodically releases or closes injection openings so that the right amount of fuel can be injected into the combustion chamber at the right time and in the right amount. Due to the high pressure of the fuel, it is finely atomized during the injection so that a fuel-air mixture is created that burns favorably.
  • the combustion chambers in internal combustion engines are delimited at their upper end by a cylinder head, with a large number of facilities being available on the cylinder head, in particular inlet and outlet valves for the charge air or for the burned air from the combustion chamber, and other devices, for example sensors.
  • the installation space in the cylinder head is relatively limited, so that the injector, via which fuel is introduced, cannot always be attached centrally to the cylindrical combustion chamber. This makes it more difficult to distribute the fuel in the combustion chamber, since optimum combustion can only take place if the correct fuel-air mixture is present in all areas of the combustion chamber.
  • a fuel injection valve is known from DE 197 298 27 A1, which has several injection holes which are formed in a nozzle body and are opened or closed by a nozzle needle.
  • the injection holes have different radii of curvature at their inlet end in order to favor the distribution of the fuel in the combustion chamber.
  • an injection nozzle can be produced which is designed to distribute the fuel evenly in the combustion chamber, even if the injection nozzle is not in the center, but off-center with respect to the combustion chamber axis or another axis of symmetry is attached in the combustion chamber.
  • an injection nozzle is produced with a nozzle body in which several injection openings are formed, through which compressed fuel can be injected in the form of injection jets.
  • the part of the combustion chamber into which the fuel injected through the injection opening is to reach is first determined for each injection opening.
  • the cross-sections of the injection openings are determined in such a way that the amount of fuel exiting through an injection opening in a given period of time to the total of the total amount of fuel exiting through all injection openings is the same as the corresponding combustion chamber proportion to the total combustion chamber volume.
  • the injection openings with the injection cross-sections determined in this way are then formed in the nozzle body.
  • the combustion chamber volume which is supplied by the fuel of a certain injection opening, determines the amount of oxygen present there and thus also the amount of fuel that can be burned there in a single cycle.
  • the fuel must be supplied at a specific point in time, so that only a specific time window is available for the entire fuel injection, in which the required amount of fuel must be introduced into each individual part of the combustion chamber.
  • one part of the combustion chamber is larger than another part of the combustion chamber due to the eccentric arrangement of the injection nozzle, correspondingly more fuel must be introduced there than into a smaller part of the combustion chamber.
  • the diameter of the injection openings so that different amounts of fuel escape through the injection openings in a certain time, it can be achieved that the exact amount of fuel required is available in each part of the combustion chamber and that there is no excessively lean (excess of air) in any area of the combustion chamber. or the fuel-air mixture is too rich (excess fuel).
  • the combustion chamber proportions are determined using the following method.
  • an impact plane is defined within the combustion chamber, which represents a virtual plane that is intersected by all the injection jets.
  • the points of intersection of the injection jets are determined by this level of impact, the points of intersection being determined by an imaginary extension of the injection openings up to the level of impact.
  • the combustion chamber proportions corresponding to the proportions of the corresponding Voronoi surfaces in the total surface of the plane of impact are determined using the following method.
  • the Voronoi surface with respect to a point of penetration is the partial surface of the plane of impact, the points of which are closer to this point of penetration than to any other point of penetration.
  • this Voronoi area or its portion of the plane of impact also represents the portion of the combustion chamber that is to be supplied with fuel by the corresponding injection jet.
  • the combustion chamber is cylindrical and the plane of impact is defined parallel to the floor of the combustion chamber.
  • the injection openings are designed to be distributed uniformly over the circumference of the injection nozzle. In this way, the corresponding amount of fuel in the corresponding combustion chamber portion can be set in a simple manner via the diameter of the injection openings.
  • the combustion chamber has a rectangular cross section.
  • the injection openings can advantageously be arranged in such a way that the injection jets form a fan so that the injection nozzle can also advantageously distribute the fuel in the combustion chamber when it is arranged very eccentrically to the combustion chamber.
  • a nozzle arrangement comprising an injection nozzle for injecting fuel under high injection pressure into the combustion chamber of an internal combustion engine
  • the injection nozzle is arranged such that it can inject fuel into the combustion chamber.
  • the injection nozzle has a nozzle body in which several injection openings are formed, through which the fuel can be injected into the combustion chamber.
  • the injection openings which are further away from a combustion chamber wall are equipped with a larger diameter than the injection openings which are arranged closer to a combustion chamber wall. This has the result that more fuel flows through the injection openings, which supply a larger proportion of the combustion chamber with fuel than through the other injection openings, so that overall a uniform fuel distribution in the combustion chamber is achieved.
  • the injection nozzle is in front Partial development of the invention arranged outside the central axis of the combustion chamber when the combustion chamber is cylindrical.
  • the combustion chamber is designed with a rectangular base, the injection nozzle protruding into the combustion chamber off-center to the rectangular base, off-center here meaning outside the center of the rectangular base.
  • the injection openings of the injection nozzle are advantageously aligned in such a way that the injection jets exiting through the injection openings form a fan so that the fuel is distributed over a large area and evenly in the combustion chamber.
  • Figure 1 is a longitudinal section through an injection nozzle in a schematic Dar position, as is known from the prior art
  • Figure 2a shows a known nozzle arrangement, the injection nozzle in a
  • the combustion chamber of an internal combustion engine protrudes
  • Figure 2b shows a cross section through the combustion chamber of Figure 2a along the
  • FIG. 2c shows a view of the end of the injection nozzle on the combustion chamber side
  • FIG. 3a shows a representation of a nozzle arrangement with an injection nozzle manufactured according to the invention in the same representation as FIG. 2a,
  • FIG. 3b again shows a cross section through the combustion chamber of FIG. 3a analogous to FIG. 2b
  • FIG. 3c shows a view of the injection nozzle 1 from its end on the combustion chamber analogous to FIG. 2c
  • FIG. 4a shows a further nozzle arrangement according to the invention in a combustion chamber with a rectangular cross section, as is present, for example, in rotary engines,
  • FIG. 4b shows a plan view of the arrangement according to FIG. 4a
  • FIG. 4c shows a view of the end of an injection nozzle on the combustion chamber side, as is used for a nozzle arrangement according to FIG. 4a.
  • FIG. 1 an injection nozzle known from the prior art is shown in longitudinal section.
  • the injection nozzle 1 comprises a nozzle body 2 in which a pressure chamber 3 is formed.
  • the pressure chamber 3 can be filled with fuel under high pressure and is delimited by a conical valve seat 10 at the end of the nozzle body 2 on the combustion chamber side.
  • the valve seat 10 merges into a blind hole 11 from which a plurality of injection openings 8 extend. These are arranged distributed over the circumference of the nozzle body 2 in order to bring the fuel that emerges from the injection openings and thereby injection jets 12 bil det, into different areas of the combustion chamber.
  • a piston-shaped nozzle needle 5 is arranged to be longitudinally displaceable and has a conical sealing surface 6 at its end on the combustion chamber side, with which the nozzle needle 5 interacts with the valve seat 10. If the nozzle needle 5 is seated on the valve seat 10, the pressure chamber 3 is closed with respect to the blind hole 11 and thus also with respect to the injection openings 8.
  • valve needle 5 If the valve needle 5 is removed from the valve by an electromagnetic or electro-hydraulic mechanism seat 10 is lifted, a flow cross section is opened between the sealing surface 6 and the valve seat 10, through which fuel can flow from the pressure chamber 3 into the blind hole 11, from where the fuel exits through the injection openings 8.
  • the nozzle body 2 is rotationally symmetrical and accordingly has a longitudinal axis 9.
  • the injection openings 8 are cylindrically or slightly conical and accordingly also have central axes 13.
  • FIG. 2a the injection nozzle from Figure 1 is shown in its installation position in a combustion chamber.
  • the combustion chamber is formed by a piston bore 26 in an engine block 14, which is shown schematically in section in FIG. 2a.
  • the combustion chamber 15 is delimited at its lower end by a movable piston 17 which is guided in a longitudinally movable manner in the piston bore 26, which thus also forms the combustion chamber wall 16.
  • the piston 17 is connected to a crankshaft via a connecting rod, not shown.
  • a recess 21 is formed in the cylinder head 27, through which an injection nozzle 1 protrudes into the combustion chamber 15.
  • the exiting from the injection openings 8 injection jets 12 extend into the combustion chamber 15 and are arranged in this exemplary embodiment from each other in an umbrella shape.
  • an impact plane 20 is shown, which represents a purely virtual plane.
  • the injection jets 12 or the central axes 13 of the injection openings 8 penetrate this impingement plane 20 at penetration points 22.
  • This is shown again in FIG. 2b in a plan view of the combustion chamber 15. Since the injection nozzle 1 is arranged centrally in the combustion chamber 15, the injection jets 12 are arranged symmetrically over the circumference of the injection nozzle 1, so that the penetration points 22 are also arranged symmetrically over the circumference of the injection nozzle and thus also over the circumference of the cylindrical combustion chamber 15.
  • Voronoi surfaces which result from a Dirichlet decomposition of the plane of impact 20, are shown in FIG. 2b.
  • the Voronoi surfaces which are assigned to the respective intersection points 22 and which are identified with Ai to Ab in FIG. 2b, identify the portion of the plane of impact 20 whose points are closest to the respective intersection point 22. That is to say, all points of the area Ai are the uppermost intersection point in FIG. 2b 22 closest and correspondingly at the other penetration points 22.
  • six circular segments of the same size result, the boundary surfaces 24 of which are shown in dashed lines in FIG. 2b.
  • these boundary surfaces 24 thus also subdivide the combustion chamber 15 into six cylinder segments of equal size, which are designated as combustion chamber parts Vi to / b.
  • Each injection jet 12 supplies one of these combustion chamber parts with fuel, so that an optimal distribution of the fuel in the combustion chamber 15 is achieved when all injection openings 8 eject the same amount of fuel in the same time, which can easily be achieved by making all injection openings 8 the same and are evenly distributed over the circumference of the nozzle body 2 angeord net.
  • the distribution of the injection openings 8 on the nozzle body 2 looks accordingly, as FIG. 2c shows in a view of the end of the injection nozzle 1 on the combustion chamber side.
  • FIG. 3a shows a further nozzle arrangement with an injection nozzle according to the invention or with an injection nozzle which has been manufactured using the method according to the invention.
  • the injection nozzle 1 again protrudes through a recess 21 in the cylinder head 27, the recess 21 being eccentric with respect to the central axis 19 of the combustion chamber 15.
  • the fuel would be distributed unevenly in the combustion chamber and areas of the combustion chamber would be formed in which a rich and other areas in which a lean fuel-air mixture is present. The combustion and thus the efficiency of the internal combustion engine would be correspondingly uneven. In addition, there would be poor pollutant emissions.
  • the injection jets 12 penetrate the plane of impact 20 and form penetration points 22, as shown in FIG.
  • the corresponding Voronoi surfaces Ai to Ab are not the same size here, but rather form segments of the circular impact plane 20 of different sizes, so that in the projection along the longitudinal axis 19 of the combustion chamber 15, different combustion chamber parts Vi to V 6 result.
  • the larger combustion chamber parts Vi, V 2 and V 3 accordingly require more fuel than the smaller combustion chamber parts V 4 , V 5 and V 6 .
  • the injection nozzle 1 has correspondingly different sized injection openings 8 ', 8 ", as shown in FIG. 3c.
  • the three injection openings openings 8 ' which supply the combustion chamber parts Vi, V 2 and V 3 , have a larger diameter than the injection openings 8 "which supply the combustion chamber parts V 4 , V 5 and V 6.
  • FIG. 4a A further exemplary embodiment is shown in FIG. 4a with an injection nozzle 1 which introduces fuel into a combustion chamber 15 with a substantially rectangular base area, as is the case, for example, with rotary engines.
  • the injection nozzle 1 correspondingly has an angle a between its longitudinal axis 9 and the vertical 25 with respect to the bottom of the combustion chamber 15 'to supply the combustion chamber 15', which is delimited by the rotary piston 23, with fuel.
  • the injection openings 8 are designed in the nozzle body 2 in such a way that the injection jets 12 spread out fan-wise, as shown in FIG. 4b in a plan view of the combustion chamber 15 '.
  • the injection jets 12 form a horizontal jet angle ⁇ and the individual injection jets 12 are dimensioned so that the corresponding combustion chamber parts are adequately supplied with fuel.
  • the method according to the invention for designing the injection nozzle 1 can be used in that the penetration points 22 are determined by the impingement surface 20 ', which forms the upper limit of the rotary piston 23 and thus defines the combustion chamber parts V n .
  • FIG. 4c shows a view of the injection nozzle 1 from its end on the combustion chamber side.
  • the injection openings 8 ', 8 "are formed here only on one side of the injection nozzle 1 in order to achieve the desired fan-shaped arrangement of the injection jets 12.
  • the injection openings 8' here again have a larger diameter than the injection openings 8", so that in the combustion chamber parts, which are supplied through the injection openings 8 ', more fuel reaches than into the other combustion chamber parts.

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Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Einspritzdüse (1) zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (15) einer Brennkraftmaschine, wobei die Einspritzdüse (1) einen Düsenkörper (2) aufweist, in dem mehrere Einspritzöffnungen (8) ausgebildet sind, durch die verdichteter Kraftstoff in Form von Einspritzstrahlen (12) ausgespritzt werden kann. Dabei werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Bestimmen des Brennraumteils (Vn) für jede Einspritzöffnung (8), in die der durch diese Einspritzöffnung (8) eingespritzte Kraftstoffstrahl (12) gelangt, Bestimmen der einzelnen Einspritzöffnungsquerschnitte so, dass sich die in einem gegebenen Zeitraum durch eine Einspritzöffnung (8) austretende Kraftstoffmenge zur Summe der gesamten, durch alle Einspritzöffnungen (8) austretenden Kraftstoffmenge so verhält wie der Brennraumanteil (V) zum gesamten Brennraumvolumen, Ausbilden der Einspritzöffnungen (8) mit den so bestimmten Einspritzöffnungsquerschnitten. Die Erfindung betrifft ferner eine Düsenanordnung, bei der die Einspritzöffnungen, die weiter von einer Brennraumwand entfernt sind, einen größeren Durchmesser aufweisen als die Einspritzöffnungen, die näher an der Brennraumwand angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Herstellen einer Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine und Düsenanordnung mit einer Ein spritzdüse
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Einspritzdüse, die zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine Verwen dung findet, vorzugsweise einer Brennkraftmaschine, die nach dem Selbstzün derprinzip arbeitet.
Stand der Technik
Bei modernen selbstzündenden Brennkraftmaschinen wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingebracht, d.h. der Kraftstoff wird unabhängig von der Ladeluft zum optimalen Zeitpunkt unter hohem Druck in den Brennraum eingespritzt, wo er durch die verdichtete und entsprechend heiße Luft im Brennraum gezündet wird. Zur Einspritzung des Kraftstoffs dienen Injektoren, die mit Kraftstoff unter hohem Druck verbunden sind und in denen ein bewegliches Ventilelement- meist in Form einer Düsennadel - vorhanden ist. Die Düsennadel wird elektro magnetisch in Längsrichtung bewegt und gibt dadurch periodisch Einspritzöff nungen frei oder verschließt diese, so dass zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Menge Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum eingespritzt werden kann. Durch den hohen Druck des Kraftstoffs wird dieser bei der Ein spritzung fein vernebelt, so dass ein Kraftstoffluftgemisch entsteht, das günstig verbrennt.
Die Brennräume in Brennkraftmaschinen werden an ihrem oberen Ende von ei nem Zylinderkopf begrenzt, wobei am Zylinderkopf eine Vielzahl von Einrichtun gen vorhanden sind, insbesondere Ein- und Auslassventile für die Ladeluft bzw. für die abgebrannte Luft aus dem Brennraum, und weitere Vorrichtungen, bei spielsweise Sensoren. Dadurch ist der Bauraum im Zylinderkopf relativ einge schränkt, so dass der Injektor, über den Kraftstoff eingebracht wird, nicht immer mittig zum zylindrischen Brennraum angebracht werden kann. Dies erschwert die Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum, da nur dann eine optimale Verbrennung stattfinden kann, wenn in allen Bereichen des Brennraums das richtige Kraftstoff- Luft-Gemisch vorhanden ist. Dazu ist aus der DE 197 298 27 Al ein Kraftstoffe inspritzventil bekannt, das mehrere Spritzlöcher aufweist, die in einem Düsen körper ausgebildet sind und durch eine Düsennadel geöffnet oder verschlossen werden. Die Spritzlöcher weisen an ihrem einlaufseitigen Ende unterschiedliche Rundungsradien auf, um die Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum zu begüns tigen.
Offenbarung der Erfindung
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Einspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine kann eine Einspritzdüse gefertigt werden, die dazu ausgebildet ist, den Kraftstoff im Brennraum gleichmäßig zu verteilen, auch dann, wenn die Einspritzdüse nicht mittig, sondern außermittig bezüglich der Brennraumachse oder einer anderen Symmetrieachse im Brennraum angebracht ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Einspritzdüse mit einem Düsenkörper hergestellt, in dem mehrere Einspritzöffnungen ausgebildet sind, durch die verdichteter Kraftstoff in Form von Einspritzstrahlen ausgespritzt werden kann. Zur Herstellung der Ein spritzdüse, die in einem bestimmten Brennraum angewandt werden soll, wird zu erst für jede Einspritzöffnung der Brennraumteil bestimmt, in die der durch die Einspritzöffnung eingespritzte Kraftstoff gelangen soll. In einem zweiten Verfah rensschritt werden die Querschnitte der Einspritzöffnungen so bestimmt, dass sich die in einem gegebenen Zeitraum durch eine Einspritzöffnung austretende Kraftstoffmenge zur Summe der gesamten, durch alle Einspritzöffnungen austre tende Kraftstoffmenge so verhält wie der entsprechende Brennraumanteil zum gesamten Brennraumvolumen. Anschließend werden die Einspritzöffnungen mit den so bestimmten Einspritzquerschnitten im Düsenkörper ausgebildet. Das Brennraumvolumen, das durch den Kraftstoff einer bestimmten Einspritzöff nung versorgt wird, bestimmt die dort vorhandene Sauerstoffmenge und damit auch die Kraftstoffmenge, die bei einem einzelnen Zyklus dort verbrannt werden kann. Für eine optimale Verbrennung muss die Zufuhr des Brennstoffs zu einem bestimmten Zeitpunkt geschehen, so dass für die gesamte Kraftstoffeinspritzung nur ein bestimmtes Zeitfenster zur Verfügung steht, in dem in jedes einzelne Brennraumteil die dort benötigte Kraftstoffmenge eingebracht werden muss.
Wenn durch die außermittige Anordnung der Einspritzdüse ein Brennraumteil größer ist als ein anderes Brennraumteil, muss dort entsprechend mehr Kraftstoff eingebracht werden, als in einen kleineren Brennraumteil. Indem die Einspritzöff nungen in ihrem Durchmesser so angepasst werden, dass unterschiedliche Kraftstoffmengen in einer bestimmten Zeit durch die Einspritzöffnungen austre ten, kann erreicht werden, dass in jedem Brennraumteil die genau benötigte Kraftstoffmenge vorhanden ist und in keinem Bereich des Brennraums ein zu mageres (Luftüberschuss) oder zu fettes (Kraftstoff Überschuss) Kraftstoff-Luft- Gemisch entsteht.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Brenn raumanteile mit dem folgenden Verfahren bestimmt. In einem ersten Verfahrens schritt wird eine Auftreffebene innerhalb des Brennraums festgelegt, die eine vir tuelle Ebene darstellt, die durch alle Einspritzstrahlen geschnitten wird. Anschlie ßend werden die Durchstoßpunkte der Einspritzstrahlen durch diese Auftreffebe ne bestimmt, wobei die Durchstoßpunkte durch eine gedachte Verlängerung der Einspritzöffnungen bis zur Auftreffebene festgelegt werden. Anschließend wer den die Voronoi- Flächen in der Auftreffebene bezüglich der Durchstoßpunkte be stimmt, wobei die Brennraumanteile den Anteilen der entsprechenden Voronoi- Flächen an der Gesamtfläche der Auftreffebene entsprechen. Die Voronoi- Fläche bezüglich eines Durchstoßpunktes ist die Teilfläche der Auftreffebene, deren Punkte näher zu diesem Durchstoßpunkt liegen als zu jedem anderen Durch stoßpunkt. Entsprechend repräsentiert diese Voronoi- Fläche bzw. ihr Anteil an der Auftreffebene auch den Brennraumanteil, der durch den entsprechenden Einspritzstrahl mit Kraftstoff versorgt werden soll. Damit können mit diesem Ver fahren die entsprechenden Brennraumanteile bestimmt werden und die zugehö rige Durchflussmengen bestimmt werden, die durch die einzelnen Einspritzöff- nungen austreten müssen, um die gesamte Ladeluft im Brennraum optimal mit Kraftstoff zu versorgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der Brennraum zylindrisch ausgebildet und die Auftreffebene ist parallel zum Boden des Brenn raums definiert. Unter Ausnutzung dieser zylindrischen Symmetrie lässt sich die Ebene leicht festlegen und damit auch der Brennraumanteil nach dem oben ge schilderten Verfahren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens sind die Einspritz öffnungen gleichmäßig über den Umfang der Einspritzdüse verteilt ausgebildet. Damit kann in einfacher Weise über den Durchmesser der Einspritzöffnungen die entsprechende Kraftstoffmenge in dem entsprechenden Brennraumanteil einge stellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weist der Brenn raum einen rechteckigen Querschnitt auf. Damit können die Einspritzöffnungen in vorteilhafter Weise so angeordnet werden, dass die Einspritzstrahlen einen Fä cher bilden, so dass die Einspritzdüse den Kraftstoff auch dann vorteilhaft im Brennraum verteilen kann, wenn diese stark außermittig zum Brennraum ange ordnet ist.
In einer erfindungsgemäßen Düsenanordnung, umfassend eine Einspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Einspritzdruck in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, ist die Einspritzdüse so angeordnet, dass sie Kraftstoff in den Brennraum einspritzen kann. Dabei weist die Einspritzdüse einen Düsenkör per auf, in dem mehrere Einspritzöffnungen ausgebildet sind, durch die der Kraft stoff in den Brennraum eingespritzt werden kann. Die Einspritzöffnungen, die weiter von einer Brennraumwand entfernt sind, sind mit einem größeren Durch messer ausgestattet als die Einspritzöffnungen, die näher an einer Brennraum wand angeordnet sind. Dies führt dazu, dass durch die Einspritzöffnungen, die einen größeren Brennraumanteil mit Kraftstoff versorgen, mehr Kraftstoff fließt als durch die übrigen Einspritzöffnungen, so dass insgesamt eine gleichmäßige Kraftstoffverteilung im Brennraum erreicht wird. Dabei ist die Einspritzdüse in vor- teilhafter Weiterbildung der Erfindung außerhalb der Mittelachse des Brennraums angeordnet, wenn der Brennraum zylindrisch ausgebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Brennraum mit einer recht eckigen Grundfläche ausgebildet, wobei die Einspritzdüse außermittig zu der rechteckigen Grundfläche in den Brennraum ragt, wobei außermittig hier bedeu tet, außerhalb des Mittelpunkts der rechteckigen Grundfläche. Dabei sind die Einspritzöffnungen der Einspritzdüse in vorteilhafter Weise so ausgerichtet, dass die durch die Einspritzöffnungen austretenden Einspritzstrahlen einen Fächer ausbilden, so dass der Kraftstoff flächig und gleichmäßig im Brennraum verteilt wird.
Zeichnung
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemä ßen Düsenanordnung und Zeichnungen zur Veranschaulichung des erfindungs gemäßen Verfahrens dargestellt. Es zeigt:
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Einspritzdüse in schematischer Dar stellung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist,
Figur 2a eine bekannte Düsenanordnung, wobei die Einspritzdüse in einen
Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragt,
Figur 2b einen Querschnitt durch den Brennraum der Figur 2a entlang der
Ebene 20,
Figur 2c eine Ansicht des brennraumseitigen Endes der Einspritzdüse nach
Fig. 2a,
Figur 3a eine Darstellung einer Düsenanordnung mit einer erfindungsgemäß gefertigten Einspritzdüse in der gleichen Darstellung wie Figur 2a,
Figur 3b wiederum einen Querschnitt durch den Brennraum der Figur 3a ana log zur Figur 2b, Figur 3c eine Ansicht der Einspritzdüse 1 von ihrem brennraumseitigen Ende analog zu Figur 2c,
Figur 4a eine weitere erfindungsgemäße Düsenanordnung in einem Brenn raum mit einem rechteckigen Querschnitt, wie er beispielsweise bei Wankelmotoren vorhanden ist,
Figur 4b eine Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 4a und
Figur 4c eine Ansicht des brennraumseitigen Endes einer Einspritzdüse, wie sie für eine Düsenanordnung gemäß Figur 4a zur Anwendung kommt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Einspritzdüse in Längs schnitt dargestellt. Die Einspritzdüse 1 umfasst einen Düsenkörper 2, in dem ein Druckraum 3 ausgebildet ist. Der Druckraum 3 kann mit Kraftstoff unter einem hohen Druck befüllt werden und wird am brennraumseitigen Ende des Düsen körpers 2 von einem konischen Ventilsitz 10 begrenzt. Der Ventilsitz 10 geht in ein Sackloch 11 über, von dem mehrere Einspritzöffnungen 8 ausgehen. Diese sind über den Umfang des Düsenkörpers 2 verteilt angeordnet, um den Kraft stoff, der aus den Einspritzöffnungen austritt und dabei Einspritzstrahlen 12 bil det, in verschiedene Bereiche des Brennraums zu bringen. Durch den hohen Druck des Kraftstoffs, wie er im Druckraum 3 anliegt, wird der Kraftstoff beim Austritt aus den Einspritzöffnungen 8 fein zerstäubt, so dass ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum entsteht. Im Druckraum 3 ist eine kolben förmige Düsennadel 5 längsverschiebbar angeordnet, die an ihrem brennraum seitigen Ende eine konische Dichtfläche 6 aufweist, mit der die Düsennadel 5 mit dem Ventilsitz 10 zusammenwirkt. Sitzt die Düsennadel 5 auf dem Ventilsitz 10 auf, so wird der Druckraum 3 gegenüber dem Sackloch 11 und damit auch ge genüber den Einspritzöffnungen 8 verschlossen. Wird die Ventilnadel 5 durch ei nen elektromagnetischen oder elektro-hydraulischen Mechanismus vom Ventil- sitz 10 abgehoben, so wird zwischen der Dichtfläche 6 und dem Ventilsitz 10 ein Strömungsquerschnitt aufgesteuert, durch den Kraftstoff aus dem Druckraum 3 in das Sackloch 11 strömen kann, von wo aus der Kraftstoff durch die Einspritzöff nungen 8 austritt. Der Düsenkörper 2 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und weist entsprechend eine Längsachse 9 auf. Die Einspritzöffnungen 8 sind zylind risch oder leicht konisch ausgebildet und weisen entsprechend ebenfalls Mittel achsen 13 auf.
In Figur 2a ist die Einspritzdüse aus Figur 1 in ihrer Einbaulage in einem Brenn raum dargestellt. Der Brennraum ist durch eine Kolbenbohrung 26 in einem Mo torblock 14 ausgebildet, der in der Figur 2a schematisch im Schnitt gezeichnet ist. Der Brennraum 15 wird an seinem unteren Ende von einem beweglichen Kolben 17 begrenzt, der in der Kolbenbohrung 26, die damit auch die Brenn raumwand 16 bildet, längsbeweglich geführt ist. Der Kolben 17 ist dabei über ei ne nicht gezeigte Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden. Im Zylinderkopf 27 ist eine Ausnehmung 21 ausgebildet, durch die eine Einspritzdüse 1 bis in den Brennraum 15 ragt. Die aus den Einspritzöffnungen 8 austretenden Einspritz strahlen 12 erstrecken sich in den Brennraum 15 hinein und sind in diesem Aus führungsbeispiel zueinander schirmförmig angeordnet. Zwischen der Einspritz düse 1 und dem Kolben 17 ist eine Auftreffebene 20 eingezeichnet, die eine rein virtuelle Ebene darstellt. Die Einspritzstrahlen 12 bzw. die Mittelachsen 13 der Einspritzöffnungen 8 durchstoßen diese Auftreffebene 20 an Durchstoßpunkten 22. Dies ist in Figur 2b in einer Draufsicht auf den Brennraum 15 nochmals dar gestellt. Da die Einspritzdüse 1 mittig im Brennraum 15 angeordnet ist, sind die Einspritzstrahlen 12 symmetrisch über den Umfang der Einspritzdüse 1 verteilt angeordnet, so dass die Durchstoßpunkte 22 ebenfalls symmetrisch über den Umfang der Einspritzdüse und damit auch über den Umfang des zylindrischen Brennraums 15 angeordnet sind.
In Figur 2b sind die sogenannten Voronoi-Flächen eingezeichnet, die aus einer Dirichlet-Zerlegung der Auftreffebene 20 resultieren. Die Voronoi-Flächen, die den jeweiligen Durchstoßpunkten 22 zugeordnet sind und die in der Figur 2b mit Ai bis Ab gekennzeichnet sind, kennzeichnen dabei den Anteil der Auftreffebene 20, deren Punkte dem jeweiligen Durchstoßpunkt 22 am nächsten liegen. Das heißt, alle Punkte der Fläche Ai sind dem in Figur 2b obersten Durchstoßpunkt 22 am nächsten und entsprechend bei den anderen Durchstoßpunkten 22. In diesem Ausführungsbeispiel ergeben sich damit sechs gleich große Kreisseg mente, deren Grenzflächen 24 in der Figur 2b gestrichelt eingezeichnet sind. In der Projektion entlang der Mittelachse 19 des Brennraums 15 unterteilen diese Grenzflächen 24 damit auch den Brennraum 15 in sechs gleich große Zylinder segmente, die als Brennraumteile Vi bis /b bezeichnet sind. Jeder Einspritzstrahl 12 versorgt einen dieser Brennraumteile mit Kraftstoff, so dass eine optimale Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum 15 dann erreicht wird, wenn alle Ein spritzöffnungen 8 dieselbe Menge Kraftstoff in derselben Zeit ausstoßen, was leicht dadurch erreichbar ist, dass alle Einspritzöffnungen 8 gleich ausgebildet werden und gleichmäßig über den Umfang des Düsenkörpers 2 verteilt angeord net sind. Entsprechend sieht die Verteilung der Einspritzöffnungen 8 am Düsen körper 2 aus, wie die Figur 2c in einer Ansicht des brennraumseitigen Endes der Einspritzdüse 1 zeigt.
Figur 3a zeigt eine weitere Düsenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Ein spritzdüse bzw. mit einer Einspritzdüse, die mit dem erfindungsgemäßen Verfah ren gefertigt worden ist. Die Einspritzdüse 1 ragt hier wieder durch eine Ausneh mung 21 im Zylinderkopf 27 hindurch, wobei die Ausnehmung 21 außermittig be züglich der Mittelachse 19 des Brennraums 15 ausgebildet ist. Würde die Ein spritzdüse gemäß der Figur 2a hier eingesetzt, so würde der Kraftstoff un gleichmäßig im Brennraum verteilt und in der Folge würden sich Bereiche des Brennraums bilden, in dem ein fettes und andere Bereiche in dem ein mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch vorliegt. Entsprechend ungleichmäßig wäre die Verbren nung und damit die Effizienz der Brennkraftmaschine. Darüber hinaus würden sich schlechte Schadstoffemissionen ergeben. Die Einspritzstrahlen 12 durch stoßen auch hier die Auftreffebene 20 und bilden Durchstoßpunkte 22, wie in Figur 3b analog zur Figur 2b dargestellt. Die entsprechenden Voronoi- Flächen Ai bis Ab sind hier nicht gleich groß, sondern bilden unterschiedlich große Segmente der kreisförmigen Auftreffebene 20, so dass sich in der Projektion entlang der Längsachse 19 des Brennraums 15 entsprechend unterschiedliche Brennraum teile Vi bis V6 ergeben. Die größeren Brennraumteile Vi, V2 und V3 benötigen entsprechend mehr Kraftstoff als die kleineren Brennraumteile V4, V5 und V6. Um dies zu erreichen, weist die Einspritzdüse 1 entsprechend unterschiedliche große Einspritzöffnungen 8', 8" auf, wie in Figur 3c dargestellt. Die drei Einspritzöff- nungen 8', die die Brennraumteile Vi, V2 und V3 versorgen, weisen einen größe ren Durchmesser auf als die Einspritzöffnungen 8", die die Brennraumteile V4, V5 und V6 versorgen. Wie groß die Durchmesser im Einzelnen sein müssen, lässt sich über Versuche oder Simulationsrechnungen ermitteln. Die Einspritzöffnun gen 8' bzw. 8" müssen dann so beschaffen sein, einerseits durch deren Durch messer und andererseits auch durch die Rundung an der Eintrittsöffnung der je weiligen Einspritzöffnungen 8, dass in einem gegebenen Zeitraum entsprechend den Brennraumteilen Vn die entsprechende Menge Kraftstoff durch die Einspritz öffnungen 8', 8" fließt.
In Figur 4a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt mit einer Einspritzdüse 1, die Kraftstoff in einen Brennraum 15 mit einer im Wesentlichen rechteckförmi gen Grundfläche einbringt, wie es beispielsweise bei Wankelmotoren der Fall ist. Die Einspritzdüse 1 weist entsprechend einen Winkel a auf zwischen ihrer Längsachse 9 und der Senkrechten 25 bezüglich des Bodens des Brennraums 15', um den Brennraum 15', der durch den Kreiskolben 23 begrenzt ist, mit Kraft stoff zu versorgen. Die Einspritzöffnungen 8 sind so im Düsenkörper 2 ausgebil det, dass sich die Einspritzstrahlen 12 fächermäßig aufspannen, wie in Figur 4b in einer Draufsicht auf den Brennraum 15' gezeigt. Dabei bilden die Einspritz strahlen 12 einen horizontalen Strahlwinkel ß aus und die einzelnen Einspritz strahlen 12 sind so dimensioniert, dass die entsprechenden Brennraumteile mit Kraftstoff ausreichend versorgt werden. Auch hier kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Auslegen der Einspritzdüse 1 angewandt werden, indem die Durchstoßpunkte 22 durch die Auftrefffläche 20' bestimmt werden, die die obere Begrenzung des Kreiskolbens 23 bildet und damit die Brennraumteile Vn festlegt. Figur 4c zeigt eine Ansicht der Einspritzdüse 1 von ihrem brennraumseitigen Ende. Die Einspritzöffnungen 8', 8" sind hier nur auf einer Seite der Einspritzdüse 1 ausgebildet, um die gewünschte fächerförmige Anordnung der Einspritzstrah len 12 zu erreichen. Die Einspritzöffnungen 8' weisen hier wieder einen größeren Durchmesser auf als die Einspritzöffnungen 8", so dass in die Brennraumteile, die durch die Einspritzöffnungen 8' versorgt werden, mehr Kraftstoff gelangt als in die übrigen Brennraumteile.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Einspritzdüse (1) zur Einspritzung von Kraft stoff in einen Brennraum (15) einer Brennkraftmaschine, wobei die Einspritz düse (1) einen Düsenkörper (2) aufweist, in dem mehrere Einspritzöffnungen (8) ausgebildet sind, durch die verdichteter Kraftstoff in Form von Einspritz strahlen (12) ausgespritzt werden kann,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Bestimmen des Brennraumteils (Vn) für jede Einspritzöffnung (8), in die der durch diese Einspritzöffnung (8) eingespritzte Kraftstoffstrahl (12) ge langt,
Bestimmen der einzelnen Einspritzöffnungsquerschnitte so, dass sich die in einem gegebenen Zeitraum durch eine Einspritzöffnung (8) austretende Kraftstoffmenge zur Summe der gesamten, durch alle Einspritzöffnungen (8) austretenden Kraftstoffmenge so verhält wie der Brennraumanteil (V) zum gesamten Brennraumvolumen,
Ausbilden der Einspritzöffnungen (8) mit den so bestimmten Einspritzöff nungsquerschnitten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenn
raumanteile (Vn) folgendermaßen bestimmt werden:
Festlegen einer Auftreffebene (20) der Einspritzstrahlen (12) im Brenn raum (15)
Bestimmen der Durchstoßpunkte (22) der Einspritzstrahlen (12) durch diese Auftreffebene (20), wobei die Durchstoßpunkte (22) durch eine ge dachte Verlängerung der Einspritzöffnungen (8) bis zur Auftreffebene (20) festgelegt werden,
Bestimmen der Voronoi- Flächen (An) in der Auftreffebene (20) bezüglich der Durchstoßpunkte (22), wobei die Brennraumanteile (Vn) dem Anteil der jeweiligen Voronoi- Fläche (An) an der Gesamtfläche (A) der Auftref febene (20) entsprechen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (15) zylindrisch ausgebildet ist und die Auftreffebene (20) parallel zum Boden des Brennraums (15) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöff nungen (8) gleichmäßig über den Umfang der Einspritzdüse (1) verteilt aus gebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (15) einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöff nungen (8) so angeordnet sind, dass die Einspritzstrahlen (12) einen Fächer bilden.
7. Düsenanordnung umfassend eine Einspritzdüse (1) zur Einspritzung von Kraftstoff unter einem Einspritzdruck und einen Brennraum (15) einer Brenn kraftmaschine, wobei die Einspritzdüse (1) so angeordnet ist, dass die Ein spritzdüse (1) Kraftstoff in den Brennraum (15) einspritzen kann, wobei die Einspritzdüse (1) einen Düsenkörper (2) aufweist, in dem mehrere Einspritz öffnungen (8) ausgebildet sind, durch die der Kraftstoff in den Brennraum (15) eingespritzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzöff nungen (8), die weiter von einer Brennraumwand (16) entfernt sind, einen größeren Durchmesser aufweisen als die Einspritzöffnungen (8), die näher an einer Brennraumwand (16) angeordnet sind.
8. Düsenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Brennraum (15) zylindrisch ausgebildet ist und eine Mittelachse (19) aufweist, wobei die Einspritzdüse (1) außerhalb der Mittelachse (19) in den Brennraum (15) ragt.
9. Düsenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Brennraum (15') eine rechteckige Grundfläche aufweist und die Einspritzdüse (1) außermittig zu der rechteckigen Grundfläche in den Brennraum (15') ragt.
10. Düsenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein spritzöffnungen (8) so ausgerichtet sind, dass die durch die Einspritzöffnun gen (8) austretenden Einspritzstrahlen (12) fächerförmig angeordnet sind.
11. Düsenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- spritzdüse (1) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 herge stellt ist.
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