DE4344026A1 - Einspritzdüse - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für Dieselmotoren mit
den im Oberbegriff des Patentspruch 1 genannten
gattungsbildenden Merkmalen.
Es ist bekannt bei Dieselmotoren den Kraftstoff so in den
Verbrennungsraum einzuspritzen, daß er sich vor und während
der Verbrennung möglichst gleichmäßig auf die gesamte
Verbrennungsluft verteilt. Hierbei dominiert die direkte
Kraftstoffeinspritzung nach dem Strahlzerstäubungsverfahren, bei
dem der Kraftstoff aus einer Mehrlochdüse schräg nach unten in
die Verbrennungsluft im Brennraum eingespritzt wird, wobei
diese Luft beim Einströmen durch besondere Formgebung des
Einlaßkanals in eine Drehbewegung um die Zylinderachse versetzt
wurde. Durch die Rotation der Luft erfolgt die gewünschte
Verteilung des Kraftstoffs auf den gesamten Brennraum, also
auch auf Luft, die durch die Zerstäubung des Kraftstoffs beim
Einspritzen durch Düsenbohrungen nicht unmittelbar getroffen
wird.
Bedingt durch diese kreisende Luftströmung im Brennraum werden
insbesondere bei Brennverfahren mit großem Drall die
Einspritzerstrahlen stark verweht. Überlappen sich die einzelnen
verwehten Strahlen dabei, so bilden sich lokale Bereiche mit
Kraftstoffüberschuß, die unter Sauerstoffmangel verbrennen. Die
Folgen einer solchen unvollständigen Verbrennung sind hohe
Rußemissionen. Damit die Einspritzstrahlen nicht in der
beschriebenen Weise überlappend verweht werden, werden bei
dieser Einspritzform Einspritzdüsen mit einer begrenzten Anzahl
von Einspritzbohrungen eingesetzt, deren Bohrungsabstand so
gewählt ist, daß sich die einzelnen Einspritzstrahlen auch bei
starker Verwehung nicht überlappen können.
Eine Einspritzdüse dieser Art ist durch die EP-PS O 246 373 B1
bekannt und darin als Baugruppe eines gesamten
Kraftstoffeinspritzgeräts beschrieben. Bei dieser bekannten
Einspritzdüse sind insgesamt drei Einspritzöffnungen in
gleichmäßigen Abstand zueinander seitlich am Umfang des
Düsenkörpers ausgebildet. Je nach Stellung eines als
Hohlzylinder ausgebildeten Düsenverschlußelements, werden die
drei Einspritzöffnungen geöffnet oder geschlossen und so die
einzuspritzende Kraftstoffmenge reguliert. Bei vollkommen
geöffneten Einspritzöffnungen und vorgegebenem Einspritzdruck
ist die maximal einspritzbare Kraftstoffmenge durch die gesamte
Querschnittsfläche der drei gleich groß ausgebildeten
Einspritzöffnungen festgelegt. Das oben beschriebene überlappen
der durch die Einspritzöffnungen vorgegebenen und vom
Verbrennungsluftwirbel verwehten Einspritzstrahlen wird hierbei
durch den Winkelabstand von je 120° vermieden.
Diese bekannte Einspritzdüse ist aufgrund ihrer insoweit
erläuteten baulichen und funktionellen Eigenschaften mit den
Nachteilen behaftet, daß sich durch die wenigen, jeweils
durchmessergleichen öffnungsflächen der Einspritzöffnungen eine
verhältnismäßig kleine Gesamtöffnungsfläche und dadurch relativ
lange Einspritzdauern ergeben. Darüberhinaus ist die
Luftausnutzung beim Verbrennungsvorgang dieses Drallverfahrens
mit den üblichen drei bis fünf Einspritzöffnungen gering.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einspritzdüse der
Eingangs genannten Art anzugeben, die unter Vermeidung der oben
beschriebenen Nachteile kürzere Einspritzdauern und/oder eine
verbesserte Luftausnutzung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Aus dieser abwechselnden Anordnung von großen und kleinen
Einspritzöffnungen, wo jeweils zwischen zwei großen Bohrungen,
wie sie bisher auch bei herkömmlichen Düsen dieser Art
ausgebildet sind, erfindungsgemäß zusätzlich eine
Einspritzöffnung mit kleinerem Bohrungsdurchmesser vorgesehen
ist, resultiert der technische Vorteil, daß damit über die
gesamte Einspritzdüse betrachtet eine weitaus größere
Gesamtquerschnittsfläche aller Einspritzöffnungen an einer Düse
erreicht wird als bei herkömmlichen Einspritzdüsen,
ohne daß die dadurch festgelegten Einspritzstrahlen beim
Einspritzen in den Luftwirbel auch nur teilweise ineinander
verweht werden.
Die so vergrößerte Einspritz-Gesamtquerschnittsfläche
ermöglicht einen bedeutend größeren Kraftstoffstrom, als bei
herkömmliche Einspritzdüsen, so daß bei üblichen
Einspritzdruckverhältnissen die vorgesehene Kraftstoffmenge in
einer wesentlich kürzeren Zeitdauer als bisher in den Brennraum
eingespritzt werden kann. Diese kürzere Einspritzdauer schafft
den Vorteil einer kürzeren Brenndauer, wodurch der effektive
spezifische Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen
Ausbildung der Einspritzöffnung, ist die dadurch erreichte
gleichmäßige Verteilung des Kraftstoffs in die Luft, welche zu
einer homogeneren Durchmischung und einer daraus resultierenden
wesentlich besseren Luftausnutzung im Zylinder führt. Hierbei
wirkt sich die Kombination von kleinen und großen
Einspritzöffnungen besonders vorteilhaft aus, da man mit
konstantem Einspritzdruck mit kleinen Einspritzöffnungen
grundsätzlich eine feinere Zerstäubung erreicht als mit großen
Öffnungen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die
Achsen der großen und kleinen Einspritzöffnungen jeweils auf
unterschiedlichen konzentrischen Kegelmänteln liegen, deren
Öffnungswinkel verschieden sind. Als spezieller Vorteil dieser
Ausführungsform erreicht man ein Einspritzmuster, welches ein
überlappendes Verwehen der Einspritzstrahlen mit noch größerer
Sicherheit ausschließt und gleichzeitig turbulente
Strömungsverhältnisse für ein verbessertes Verwirbeln von
Kraftstoff in der Verbrennungsluft im Verbrennungsraum
unterstützt.
Die sich aus der homogenen Durchmischung und dem damit
erreichten Verbrennungsablauf ergebende wesentlich verbesserte
Luftausnutzung, wirkt sich in einer wesentlich geringeren
Rußentwicklung bei ansonst gleichen Schadstoffemissionen aus.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung spezieller
Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 Schematisch die Anordnung von Einspritzdüse und
Kolben in einer Querschnittsdarstellung;
Fig. 2 Eine Horizontalschnittdarstellung durch die Düse
entlang des Schnittverlaufs II-II in Fig. 1 gemäß
eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 2b Einen Horizontalschnittverlauf durch die Düse
entlang des Schnittverlaufs II-II in Fig. 1 gemäß
einer zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 3 Das Einspritzmuster einer herkömmlichen
Mehrlochdüse in Draufsicht;
Fig. 4 Das Einspritzmuster des ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Einspritzdüse in Draufsicht;
Fig. 5 Die Darstellung der Einspritzrate über der Zeit im
Vergleich zu herkömmlichen Einspritzraten.
In Fig. 1 sind schematisch Einspritzverhältnisse einer sonst
nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine gezeigt. Dem Kolben
1 gegenüberliegend ist die Einspritzdüse 4 koaxial zur
Kolbenmittelachse 5 angeordnet und zusammen mit ihrem
Düsenhalter in in der Zeichnung nicht näher dargestellter Weise
in der Zylinderkopf eingeschraubt. Entgegen der hier
dargestellten koaxialen Anordnung der Einspritzdüse ist auch
jegliche andere Platzierung der Düse im Zylinder möglich, ohne
daß die durch die Erfindung erzielten Vorteile beeinträchtigt
werden.
Der Kolben 1 weist eine Kolbenmulde 2 auf, die nicht zwingend
die dargestellte Form haben muß, sondern je nach den gewünschten
Strömungsverhältnissen in jeder beliebigen Form ausgebildet sein
kann. In Fig. 1 befindet sich der Kolben 1 in seiner oberen
Totpunktlage (OT), bei der die Kolbenoberkante 14 soweit in
Richtung auf die Einspritzdüse 4 zu verschoben ist, daß diese
zumindest teilweise in die Kolbenmulde 2 hineinragt.
Die Einspritzdüse 4, die hier als Sacklochdüse ausgebildet ist,
weist im Abstand zur Einspritzdüsenspitze auf einer Umfangslinie
verteilt mehrere Einspritzöffnungen 8, 9 auf. Die
Einspritzöffnungen 8, 9, 15, 16, genauer gesagt die
Mündungsöffnungen dieser Einspritzöffnungen 8, 9, 15, 16 liegen
hierbei auf der gemeinsamen Umfangslinie, während die Achsen 10,
11, 17, 18 der als Bohrungen ausgebildeten Einspritzöffnungen 8,
9, 15, 16 auf einer gemeinsamen Kegelmantelfläche 6 liegen.
Hierbei ist der Öffnungswinkel 1 dieser Kegelmantelfläche so
gewählt, daß die austretenden Einspritzstrahlen in Richtung auf
die Kolbenmulde 2 gerichtet sind, wenn sich der Kolben in seiner
oberen Totpunktlage befindet, wie in Fig. 1 dargestellt.
In den Fig. 2a und 2b ist jeweils eine Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Einspritzdüse 4 als Schnitt entlang des
Schnittverlaufs II-II in Fig. 1 dargestellt. Diese
Darstellungen zeigen die jeweilige Anordnung der
Einspritzbohrungen 8, 9, 15, 16 auf der gemeinsamen Umfangslinie
der Einspritzdüse 4. Hierbei sind in der in Fig. 2a
dargestellten Ausführungsform insgesamt sechs Einspritzöffnungen
8 mit großem, herkömmlichem Durchmesser und sechs weitere
Einspritzbohrungen 9 mit kleinerem Durchmesser in gleichmäßigem
gegenseitigen Abstand über den Umfang der Einspritzdüse 4
verteilt angeordnet. Wie der Fig. 2a zu entnehmen ist, ist hier
jeweils eine kleine Einspritzöffnung 9 zwischen zwei großen
Einspritzbohrungen 8 angeordnet, wobei der Umfangswinkelabstand
12, den die Achsen 10, 11 einer großen Einspritzöffnung 8 und
einer kleinen Einspritzöffnung 9 zwischen sich einschließen halb
so groß ist, wie der Umfangswinkel 13 den die Achsen 10, 10
zweier benachbarter großer Einspritzbohrungen
8 miteinander bilden.
Die Einspritzbohrungen 8, 9, 15, 16 sind jeweils als
Feinbohrungen in der Einspritzdüsenspitze hergestellt. Die
Gestalt der Einspritzöffnungen 8, 9, 15, 16 ist jedoch nicht
zwingend auf die Ausbildung als Bohrung eingeschränkt, sondern
es können auch andere Formen und Gestalten vorgesehen sein, die
geeignet sind, gewünschte Eintrittsströmungsverhältnisse zu
erzeugen.
Erfindungswesentlich ist hierbei, daß die Durchmesser der großen
Einspritzöffnungen 8 und der kleinen Einspritzöffnungen 9 so
dimensioniert sind, daß der sich aufgrund des vorgesehenen
Einspritzdruckes durch die einzelnen Einspritzöffnungen 8, 9,
15, 16 ausbildende Kraftstoffluß jeweils einen Einspritzstrahl
22, 22′, 23 bilden kann, wie er in Fig. 4 oder auch Fig. 3
dargestellt ist.
In diesen Fig. 3 und 4 ist jeweils ein typisches
Einspritzstrahlmuster gezeigt, wie es sich ausbildet, wenn
mehrere, in den dargestellten Ausführungsformen geformte
Einspritzstrahlen (6 bzw. 12) radial in den Verbrennungsraum,
die Kolbenmulde 3, eingespritzt werden. Die einströmende
Verbrennungsluft wurde zuvor mittels eines entsprechenden
Einströmkanal so in Rotation versetzt, daß sich im
Verbrennungsraum ein Luftwirbel bildet. Diese mittels des als
Drallkanal bezeichneten speziellen Einströmungskanals mit einem
großen Drall versetzte Luft wird üblicherweise zentral von oben
in den Verbrennungsraum eingeleitet. Dabei reißt die
einströmende Luft den Kraftstoff mit sich und verweht dadurch
die Einspritzstrahlen zu den in den Fig. 3 und 4
dargestellten Einspritzkeulen 22, 23.
In Fig. 3 ist ein Einspritzmuster dargestellt, wie es sich bei
herkömmlichen Einspritzdüsen mit jeweils gleich großen
Einspritzöffnungen, hier 6 Stück, ausbildet. Die Durchmesser
dieser Einspritzbohrungen sind so gewählt, daß sich die
einzelnen verwehten Einspritzstrahlen 21 nicht gegenseitig
überlappen. Wie jedoch aus der Fig. 3 gut zu erkennen ist,
bilden sich in den Gebieten zwischen zwei benachbarten
Einspritzstrahlen jeweils Bereiche aus, in denen kein Kraftstoff
mit Luft gemischt wird. Die in diesen Bereichen vorhandene Luft
wird daher auch nicht bei der Verbrennung mit ausgenutzt. Hier
setzt nun die Erfindung ein, denn wie in Fig. 4 dargestellt,
münden in diese Lücken zwischen zwei benachbarten
Einspritzstrahlen 22′ jeweils die kleineren Einspritzstrahlen
23, welche sich beim Austritt des Kraftstoffs aus den kleinen
Einspritzöffnungen 16 bilden.
Je nach Intensität des Luftwirbels sind die Durchmesser der
Einspritzöffnungen so aufeinander abgestimmt, daß sich die
großen und kleinen Einspritzstrahlen im verwehten Zustand zu
einem flächenmäßig ergänzenden Einspritzmuster komplettieren,
ohne daß sie sich dabei gegenseitig überlappen.
Das in Fig. 4 dargestellte Einspritzmuster wird beispielsweise
mit einer Einspritzdüse erreicht, wie sie in der Fig. 2a
dargestellt ist. Für Ausführungsformen, bei denen ein besonders
starker Luftdrall im Verbrennungsraum vorgesehen ist, bringt die
in der Fig. 2b dargestellte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Einspritzdüse weitere Verbesserung. Bei dieser
Ausführungsform sind die großen Einspritzöffnungen und die
kleinen Einspritzöffnungen jeweils paarweise gleichmäßig über
den Gesamtumfang der Einspritzdüse 4 verteilt angeordnet. Durch
den geringen Winkelabstand der Einspritzöffnungsachsen 17 und 18
dieses Öffnungspaares, wird jeweils der kleinere
Einspritzstrahl quasi im Windschatten des großen
Einspritzstrahls abgelenkt, ohne daß sich die Keulen überlappen.
Andererseits hat dieses Einspritzstrahlpaar einen gegenüber dem
in Fig. 4 dargestellten Einspritzmuster größeren
Brennraumsektor zur Verfügung, in welchem der Kraftstoff verweht
werden kann, ohne daß er sich mit dem benachbarten
Einspritzstrahl durchmischt.
Wie aus einem Vergleich des Einspritzmusters nach Fig. 3 und
dem Muster nach Fig. 4 hervorgeht, ermöglicht die
erfindungsgemäße Einspritzdüse eine wesentlich flächendeckenden
Ausnutzung der Verbrennungsluft im Verbrennungsraum. Abgesehen
von der flächendeckender Einspritzform steht bei der
erfindungsgemäßen Einspritzdüse eine erheblich vergrößerte
Gesamtquerschnittsfläche der Einspritzöffnungen zur Verfügung,
wodurch die jeweils erforderliche Kraftstoffmenge in wesentlich
kürzeren Zeiten in den Verbrennungsraum eingespritzt werden
kann. Dieser größere Massenstrom, oder auch Strömungsrate, ist
in Fig. 4 in Abhängigkeit der Zeit über einen
Gesamteinspritzvorgang abgebildet. In diesem Diagramm stellt die
Kurve 26 die Einströmrate einer herkömmlichen Einspritzdüse dar
und der Kurvenverlauf 27 die Einspritzrate, wie sie mit der
erfindungsgemäßen Einspritzdüse möglich ist. Die Fläche, welche
unter der jeweiligen Kurve 26, 27 und der Zeitachse
eingeschlossen, entspricht der Menge des eingespritzten
Kraftstoffes. Ist die Einspritzdüse vollkommen geöffnet, dann
ermöglicht die erfindungsgemäße Einspritzdüse einen wesentlich
steilerer Anstieg der Strömungsrate auf ein gegenüber
herkömmlichen Düsen deutlich höheren Spitzenwert. Ferner ist der
Einspritzvorgang mit der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 4
aufgrund deren größeren Gesamtlochquerschnitts deutlich früher
abgeschlossen als bei herkömmlichen Einspritzdüsen. Als Ergebnis
dieses Vergleichs, wird der Flächenschwerpunkt FE der
Einströmrate der erfindungsgemäßen Düse gegenüber dem
Schwerpunkt FH herkömmlicher Düsen deutlich nach vorne
verlagert.
Mit der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 4 kann folglich eine
größere Kraftstoffmenge innerhalb einer kürzerer Zeit in den
Verbrennungsraum eingespritzt werden, ohne daß es in diese zu
lokalen Kraftstoffansammlungen und deshalb unter unzureichender
Luftausnutzung zu großen Ruß- und Schadstoffentwicklung kommt.
Claims (5)
1. Einspritzdüse für Dieselmotoren, mit direkter
Kraftstoffeinspritzung in eine mit Drall versetzte
Verbrennungsluft im Zylinder, welche als Lochdüse mit mehreren
in gleichmäßigen Abständen über den Düsenumfang verteilt
angeordneten Einspritzöffnungen vorgesehen ist, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen mindestens zwei benachbarten
Einspritzöffnungen (9, 16) jeweils eine weitere Einspritzöffnung
mit kleinerem Durchmesser ausgebildet ist.
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Achsen (10, 11; 17, 18) der Einspritzöffnungen
(8, 9; 15, 16) auf einer gemeinsamen Kegelmantelfläche (6)
liegen.
3. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Achsen (10; 17) der Einspritzöffnungen (8; 15) auf einer
ersten Kegelmantelfläche (6) und die Einspritzöffnungen mit
kleineren Durchmesser (9; 16) auf einer zweiten
Kegelmantelfläche (7) liegen, wobei der Öffnungswinkel der
ersten Kegelmantelfläche (6) größer ist als derjenige der
zweiten Kegelmantelfläche (7).
4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einspritzöffnungen mit kleinerem
Durchmesser (9, 16) jeweils im halben Umfangswinkelabstand (12)
des Umfangswinkelabstandes (13) der Einspritzöffnungen (8, 15)
angeordnet sind.
5. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet daß der Umfangswinkelabstand (9) der
Einspritzöffnung, mit kleinerem Durchmesser (9; 16) kleiner ist
als der halbe Umfangswinkelabstand (20) der Einspritzöffnungen
(8, 15).
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