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WO2006003049A1 - Einspritzdüse zur einspritzung von kraftstoff in einen brennraum eines dieselmotors - Google Patents

Einspritzdüse zur einspritzung von kraftstoff in einen brennraum eines dieselmotors Download PDF

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WO2006003049A1
WO2006003049A1 PCT/EP2005/052159 EP2005052159W WO2006003049A1 WO 2006003049 A1 WO2006003049 A1 WO 2006003049A1 EP 2005052159 W EP2005052159 W EP 2005052159W WO 2006003049 A1 WO2006003049 A1 WO 2006003049A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
injection nozzle
injection
combustion chamber
partial
jet
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2005/052159
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Teschner
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to EP05743101A priority Critical patent/EP1766228A1/de
Publication of WO2006003049A1 publication Critical patent/WO2006003049A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
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    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0645—Details related to the fuel injector or the fuel spray
    • F02B23/0654—Thermal treatments, e.g. with heating elements or local cooling
    • F02B23/0657—Thermal treatments, e.g. with heating elements or local cooling the spray interacting with one or more glow plugs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B23/0645—Details related to the fuel injector or the fuel spray
    • F02B23/0669—Details related to the fuel injector or the fuel spray having multiple fuel spray jets per injector nozzle
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Injector for injecting fuel into a combustion chamber of a diesel engine
  • the invention relates to an injection nozzle for injecting fuel into a combustion chamber of a diesel engine via at least a first partial beam and at least a second partial beam which is output simultaneously with the first partial beam, wherein a direction of a first partial beam is located on a first cone shroud with a first opening angle.
  • Such an injection nozzle is known for example from the Automotive Handbook, 23rd Edition, page 556.
  • the injectors shown there are for one
  • Schrägeinbau provided in a cylinder head of an internal combustion engine and issue through multiple injection holes partial beams whose directions lie on a cone.
  • the axis of the cone passes through the piston, which seals the combustion chamber movable.
  • Cone of these known injection nozzles is in the range of 140 to 160 degrees. This geometry results in an injection into a comparatively flat volume. Appropriately, the injection occurs relatively late near top dead center of the compression of the upwardly moving piston.
  • the good cold start capability results from the fact that, because of the wide opening angle, fuel is sprayed in the vicinity of a glow plug which is arranged in the cylinder head.
  • the glow plug is heated electrically in the cold start case and makes it easier to ignite the filling of the combustion chamber.
  • diesel engines will in future also work with homogeneous combustion chamber fillings.
  • a homogeneous distribution of the fuel in the combustion chamber is achieved by a comparatively early and deep into the combustion chamber, taking place well before the top dead center of the compression injection, so that more time is available for a homogeneous distribution of the fuel in the combustion chamber.
  • the homogeneous distribution is also supported by the fact that the upwardly moving piston swirls the combustion chamber filling of air and fuel during further compression.
  • the object of the invention is to specify measures which ensure an improvement in the cold start capability in diesel engines with homogeneous combustion processes.
  • This object is achieved with an injection nozzle of the type mentioned in that a direction of at least a second partial beam is located on a second conical surface with a second opening angle which is smaller than the first opening angle.
  • the invention is based on the finding that the undesirable effect of deterioration of the
  • two opening angles are used, so that there is a division of the injection quantity into at least one ignition jet and further jets which ensure a homogeneous mixture distribution in the combustion chamber. It is preferable that the second opening angle is between 30 and 130 degrees.
  • the first opening angle is between 130 and 160 degrees.
  • This angular interval corresponds approximately to the usual angular interval used for a stratified charge, which has shown good cold start capability.
  • Cargo usual angle direction aims, as usual in the cylinder head mounted heater, such as a glow plug, bring much more heat in the injected fuel, which the ignition at low combustion chamber temperatures and thus the
  • the injection nozzle simultaneously outputs exactly a first partial beam and a plurality of second partial beams.
  • a partial jet is output through an associated injection hole at a combustion chamber end of the injection nozzle.
  • the output of a Kraftstoffn ⁇ enge over several injection holes allows a reproducible distribution of the fuel quantity to be injected to a plurality of partial beams, which is essential for optimizing a subsequent combustion.
  • the two conical shells have the same conical axis and that n injection jets are distributed on the two conical shells so that an n-fold symmetry results in a projection of the n directions of the injection jets on a plane perpendicular to the conical axis.
  • an arrangement has an n-fold symmetry when it is imaged onto itself during a rotation of 360 ° / n.
  • the arrangement of the injection jets is as much as possible adapted to the symmetry of the air volume into which is injected. Since the injection takes place comparatively early in a homogeneous combustion process, this air volume is essentially defined by the cylinder shape above the piston which is moving upwards.
  • a further preferred embodiment is characterized in that a partial beam, the direction of which lies on the first conical jacket, has a smaller penetration depth into a combustion chamber than a partial beam whose direction lies on the second conical jacket.
  • This embodiment takes into account that the sub-beam is radiated on the first conical surface essentially transversely to the cylinder axis and that an injection nozzle arranged centrally in the direction of the cylinder axis can only be moved by a comparatively small distance from one lateral cylinder wall is separated.
  • the distance of a piston at bottom dead center to the injector is about twice the distance of the injector nozzle from the cylinder shell. In the case of an early injection with the aim of a homogeneous mixture distribution, therefore, a comparatively large penetration depth into the cylinder is to be striven for.
  • the injection holes are dimensioned so that a larger fuel mass is injected via a second partial jet during an injection than via a first partial jet.
  • This configuration causes the lower penetration depth of the ignition jet and, moreover, causes the larger quantity of fuel to be available for the desired homogeneous distribution in the cylinder and only as little fuel as possible for an ignition jet to be diverted. As a result, losses that may result from the breakage of the symmetry of the injection jet arrangement with a warm internal combustion engine are kept small.
  • injection holes are dimensioned so that the same amount of fuel is metered via two second partial beams during an injection become .
  • This feature contributes as much as possible to maintain a symmetry of the fuel distribution in the cylinder and thus positively influences the combustion.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the injection nozzle has markings for determining a built-in rotational angle position. It is furthermore preferred that the markings define a built-in rotational angle position in which a first partial jet has a predetermined orientation relative to a heating device or ignition device in the combustion chamber.
  • the first partial beam is directed to a heating device.
  • This arrangement ensures that the cold start improvement potential of the injection jet assembly according to the invention also comes into play when a heater arranged at a certain angle is used. With annular or other heaters distributed over the circumference of the cylinder, this feature would be dispensable.
  • markings have a form-locking rotation lock.
  • a further preferred embodiment is characterized by a fastening means for axially fixing the injection nozzle in a cylinder head of an internal combustion engine.
  • the fastening means comprise a threaded sleeve or a union nut.
  • FIG. 1 shows schematically a combustion chamber with a known, centrally arranged injection nozzle for a stratified diesel combustion process
  • FIG. 2 schematically shows a combustion chamber with a injection nozzle according to the invention for a homogeneous diesel combustion process
  • Fig. 3 is an observed from the direction of a piston injection nozzle as an embodiment of an injection nozzle according to the invention.
  • an injection nozzle 10 is shown, the combustion chamber side end 12 projects into a combustion chamber 14.
  • the injection nozzle 10 has at its combustion chamber end 12 holes or openings 16, 18, 20, are output via the injection jets 22 in an air filling of the combustion chamber 14. The output of the
  • the combustion chamber 14 is bounded above by a cylinder head 30 and to the sides by a cylinder jacket 32 and movably sealed by a piston 34.
  • the numeral 36 in FIG. 1 marks the position of a top dead center of movement of the piston 34 in the cylinder jacket 32.
  • the illustration of FIG. 1 represents a known combustion chamber and injection jet geometry used in conjunction with a late fuel injection for the formation of a stratified combustion chamber charge becomes. In this case, the injection takes place relatively late, so only shortly before the piston 34 reaches its top dead center 36. Accordingly, the remaining volume of the combustion chamber 14 at this time is comparatively flat and wide.
  • This geometry of the combustion chamber 14 at the time of injection is taken into account by a geometry of the injection jets angle that passes through a comparatively wide first opening angle 28 is characterized.
  • the first opening angle 28 is typically between 130 and 160 ° in the boundary conditions shown in FIG.
  • a glow plug 38 is usually arranged in the cylinder head 30, the combustion chamber side end 40 is electrically heated.
  • the very wide first opening angle which is an interval between 130 ° and 160 °, as used in the prior art, has shown good cold start properties.
  • FIG 2 shows schematically a combustion chamber 14 with an injection nozzle 42 according to the invention for a homogeneous
  • the injection nozzle 42 outputs a first partial jet 44 in a direction 46 which lies on a first conical jacket with a first opening angle 28.
  • the injection nozzle 42 is at least a second partial beam 48 and / or 50 in a second
  • Direction 52 and / or 54 each lying on a second cone sheath with a second opening angle 56, which is smaller than the first opening angle 28.
  • the second opening angle 56 is preferably in an interval between 30 ° and 130 °, while the first opening angle 28 corresponds to the known from the prior art ago opening angle from the interval between 130 and 160 c .
  • the second partial beams 48 and 50 are injected at the comparatively small aperture angle 56 to achieve a large penetration depth with a comparatively early injection.
  • the piston 34 is in this case still relatively far away from its upper Tot Vietnameseläge 36, so that the known Injection geometry, as shown in Figure 1, would capture only a portion of the combustion chamber volume.
  • the piston 34 which continues to move upwards during and after an injection, swirls the injected fuel with the air filling of the combustion chamber 14, so that the result is a substantially homogeneous mixture of fuel and air in the combustion chamber 14.
  • Cylinder jacket 32, the cylinder head 30 and the piston 34 to ensure the first partial beam 44 is preferably sold with the flatter, or wider, first opening angle 28. This is done with the aim of achieving a local fuel enrichment at the combustion chamber end 40 of the glow plug 38. With a suitable orientation of the injection nozzle 42, a single first partial jet 44 suffices, which has a lower penetration depth than the second partial beams 48 and 50 and which also transports less fuel.
  • the first sub-beam 44 thus serves as a kind of ignition. It is designed, for example by a smaller injection hole 16, to a lower injection quantity than the other partial beams 48, 50 in order to influence the pollutant emissions as little as possible in a warm combustion engine.
  • the injection nozzle 42 is preferably inserted into the cylinder head 30 such that the first partial jet 44 is deposited in the direction of the glow plug 38.
  • the injection nozzle 42 may have at its periphery a fixed mark 58 which fits positively into a correspondingly formed counterpart of the cylinder head 30 and fixes the injector 42 in the desired angular position.
  • the injection nozzle 42 is preferably clamped by means of threaded sleeves, banjo bolts, union nuts or claws with the cylinder head 30.
  • FIG. 3 shows an injection pattern of an exemplary embodiment of an injection nozzle 42 viewed from the direction of rotation of the piston 34.
  • the injection nozzle according to FIG. 3 has a first injection opening 16 and seven second injection openings 18. The total of eight
  • Injection openings 16, 18 are arranged so that the directions of the output partial beams have an eightfold symmetry. It is preferred that in each case the same injection quantities are output via the second injection openings 18, so that the partial beams 48 emitted via the injection openings 18 have the same penetration depth. In contrast, the first part of the beam 44 should have a lower penetration depth and transport a lower fuel mass. This is illustrated in FIG. 3 by a partial beam 44 shortened in comparison to the second partial beams 48.

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Abstract

Vorgestellt wird eine Einspritzdüse (42) zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (14) eines Dieselmotors über wenigstens einen ersten Teilstrahl (44) und wenigstens einen zweiten Teilstrahl (46), der gleichzeitig mit dem ersten Teilstrahl (44) ausgegeben wird, wobei eine Richtung (46) eines ersten Teilstrahls (44) auf einem ersten Kegelmantel mit einem ersten Öffnungswinkel (28) liegt. Die Einspritzsdüse (42) zeichnet sich dadurch aus, dass eine Richtung (52, 54) wenigstens eines zweiten Teilstrahls (48, 50) auf einem zweiten Kegelmantel mit einem zweiten Öffnungswinkel (56) liegt, der kleiner als der erste Öffnungswinkel (28) ist.

Description

Einspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum eines Dieselmotors
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum eines Dieselmotors über wenigstens einen ersten Teilstrahl und wenigstens einen zweiten Teilstrahl, der gleichzeitig mit dem ersten Teilstrahl ausgegeben wird, wobei eine Richtung eines ersten Teilstrahls auf einem ersten Kegelmantel mit einem ersten Öffnungswinkel liegt.
Eine solche Einspritzdüse ist zum Beispiel aus dem Kraftfahrtechnischen Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 556 bekannt. Die dort gezeigten Einspritzdüsen sind für einen
Schrägeinbau in einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors vorgesehen und geben durch mehrere Einspritzlöcher Teilstrahlen aus, deren Richtungen auf einem Kegel liegen. Die Achse des Kegels geht dabei durch den Kolben, der den Brennraum beweglich abdichtet. Der Öffnungswinkels des
Kegels dieser bekannten Einspritzdüsen liegt im Bereich von 140 bis 160 Grad. Aus dieser Geometrie ergibt sich eine Einspritzung in ein vergleichsweise flaches Volumen. Passend dazu erfolgt die Einspritzung relativ spät in der Nähe des oberen Totpunkts der Verdichtung des aufwärts laufenden Kolbens.
Wegen der späten Einspritzung in eine stark verdichtete Luftfüllung steht für eine Gemischaufbereitung im Brennraum nur eine sehr kurze Zeitspanne bis zum Einsetzen der Verbrennung zur Verfügung. Der eingespritzte Kraftstoff verteilt sich daher nicht homogen im gesamten Brennraum. Stattdessen bilden sich Ladungswolken im Brennraum um den oder um die Einspritzstrahlen aus, in denen die Kraftstoffkonzentration von innen nach außen abnimmt. Diese Art der Ladungsverteilung wird auch als geschichtete Brennraumfüllung bezeichnet.
Als Nebeneffekt tritt bei diesem vergleichsweise breiten Öffnungswinkel eine gute Kaltstartfähigkeit auf. Die gute Kaltstartfähigkeit resultiert daraus, dass wegen des breiten Öffnungswinkels Kraftstoff in die Nähe einer im Zylinderkopf angeordneten Glühstiftkerze gespritzt wird. Die Glühstiftkerze wird im Kaltstartfall elektrisch beheizt und erleichtert eine Entflammung der Füllung des Brennraums•
Nach neueren Entwicklungstendenzen sollen Dieselmotoren künftig auch mit homogenen Brennraumfüllungen arbeiten. Eine homogene Verteilung des Kraftstoffs in dem Brennraum wird dabei durch eine vergleichsweise frühe und tief in den Brennraum reichende, weit vor dem oberen Totpunkt der Verdichtung erfolgende Einspritzung erzielt, so dass für eine homogene Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum mehr Zeit zur Verfügung steht. Die homogene Verteilung wird auch dadurch unterstützt, dass der aufwärts laufende Kolben beim weiteren Verdichten die Brennraumfüllung aus Luft und Kraftstoff verwirbelt.
Die große Eindringtiefe resultiert bei diesem Verfahren daraus, dass der Kraftstoff in wesentlich spitzerem Öffnungswinkel in Richtung auf den aufwärts laufenden, aber noch vergleichsweise weit entfernten Kolben eingespritzt wird. Bei Versuchen mit derartigen neuen Brennverfahren hat sich eine wesentlich schlechtere Kaltstartfähigkeit als bei üblichen Dieselmotoren mit Direkteinspritzung gezeigt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe von Maßnahmen, die für eine Verbesserung der Kaltstartfähigkeit bei Dieselmotoren mit homogenen Brennverfahren sorgen.
Diese Aufgabe wird mit einer Einspritzdüse der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Richtung wenigstens eines zweiten Teilstrahls auf einem zweiten Kegelmantel mit einem zweiten Öffnungswinkel liegt, der kleiner als der erste Öffnungswinkel, ist.
Vorteile der Erfindung
Durch diese Maßnahme wird die Aufgabe vollkommen gelöst. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der unerwünschte Effekt der Verschlechterung der
Kaltstartfähigkeit weniger eine direkte Folge des homogenen Brennverfahrens ist, sondern vielmehr eine direkte Folge des wesentlich kleineren Öffnungswinkels des Kegels der Einspritzrichtungen beim homogenen Brennverfahren ist.
Erfindungsgemäß werden zwei ÖffnungsWinkel verwendet, so dass sich eine Aufteilung der Einspritzmenge in wenigstens einen Zündstrahl und weitere Strahlen ergibt, die für eine homogene Gemischverteilung im Brennraum sorgen. Es ist bevorzugt, dass der zweite Öffnungswinkel zwischen 30 und 130 Grad liegt.
Es hat sich gezeigt, dass mit diesem Öffnungswinkel eine sehr gute Homogenität der Kraftstoffverteilung erzielt werden kann. Bevorzugt ist auch, dass der erste Öffnungswinkel zwischen 130 und 160 Grad liegt.
Dieses Winkelintervall entspricht ungefähr dem üblichen, für eine geschichtete Ladung verwendeten Winkelintervall, bei dem sich eine gute Kaltstartfähigkeit gezeigt hat.
Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Einspritzdüse wenigstens ein Teilstrahl in eine für eine geschichtete
Ladung übliche Winkelrichtung zielt, kann eine wie üblich im Zylinderkopf angebrachte Heizvorrichtung, beispielsweise eine Glühstiftkerze, wesentlich mehr Wärme in den eingespritzten Kraftstoff einbringen, was die Zündung bei tiefen Brennraumtemperaturen und damit die
Kaltstartfähigkeit bei einem mit einem homogenen Brennverfahren arbeitenden Dieselmotor wesentlich verbessert.
Es ist bevorzugt, dass die Einspritzdüse gleichzeitig genau einen ersten Teilstrahl und eine Mehrzahl von zweiten Teilstrahlen ausgibt.
Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass eine Hauptmenge des eingespritzten Kraftstoffes für eine homogene Verteilung zur Verfügung steht und nur eine kleinere Menge für eine Verbesserung der Kaltstartfähigkeit abgezweigt wird. Dadurch werden Einbußen bei den Vorteilen, die sich durch eine weitgehend homogene Verteilung des Kraftstoffes im Brennraum ergeben, nur wenig gemindert.
Ferner ist bevorzugt, dass jeweils ein Teilstrahl durch ein zugeordnetes Einspritzloch an einem brennraumseitigen Ende der Einspritzdüse ausgegeben wird. Die Ausgabe einer Kraftstoffnαenge über mehrere Einspritzlöcher erlaubt eine reproduzierbare Aufteilung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf mehrere Teilstrahlen, was für eine Optimierung einer nachfolgenden Verbrennung wesentlich ist.
Bevorzugt ist auch, dass die beiden Kegelmäntel die gleiche Kegelachse aufweisen und dass n Einspritzstrahlen auf den beiden Kegelmänteln so verteilt sind, dass sich bei einer Projektion der n Richtungen der Einspritzstrahlen auf eine zur Kegelachse senkrechte Ebene eine n-zählige Symmetrie ergibt. Dabei besitzt eine Anordnung eine n-zählige Symmetrie, wenn sie bei einer Drehung um 360 °/n auf sich selbst abgebildet wird.
Mit diesem Merkmal wird eine möglichst weitgehende RotationsSymmetrie der Anordnung der Einspritzstrahlen erzielt. Damit wird die Anordnung der Einspritzstrahlen möglichst weitgehend der Symmetrie des Luftvolumens angepasst, in das eingespritzt wird. Da die Einspritzung bei einem homogenen Brennverfahren vergleichsweise früh erfolgt, ist dieses Luftvolumen im Wesentlichen durch die Zylinderform über dem aufwärts laufenden Kolben definiert.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Teilstrahl, dessen Richtung auf dem ersten Kegelmantel liegt, eine kleinere Eindringtiefe in einen Brennraum besitzt als ein Teilstrahl, dessen Richtung auf dem zweiten Kegelmantel liegt.
Diese Ausgestaltung berücksichtigt, dass der Teilstrahl auf dem ersten Kegelmantel im Wesentlichen quer zur Zylinderachse abgestrahlt wird und dass eine zentral in Richtung der Zylinderachse angeordnete Einspritzdüse nur durch eine vergleichsweise kleine Entfernung von einer seitlichen Zylinderwand getrennt ist. Bei einem quadratischen Verhältnis von Zylinderbohrungsdurchmesser zu dem Kolbenhub ist die Entfernung eines Kolbens im unteren Totpunkt zur Einspritzdüse etwa doppelt so groß wie die Entfernung der Einspritzdüse vom Zylindermantel. Bei einer frühen, mit dem Ziel einer homogenen Gemischverteilung erfolgenden Einspritzung, ist daher eine vergleichsweise große Eindringtiefe in den Zylinder anzustreben. Würde der Teilstrahl, der in einem flacheren Winkel ausgegeben wird, mit einer vergleichbaren Eindringtiefe ausgegeben, würde er auf die Zylinderwand oder Brennraumwand treffen, was nicht erwünscht ist. Ein Auftreffen auf der Zylinderwand könnte zum Beispiel den Schmierfilm beeinträchtigen, und ein Auftreffen flüssigen Kraftstoffes auf eine heiße Glühstiftkerze würde zu lokal hohen TemperaturSchwankungen und damit zu mechanischen Belastungen der Glühstiftkerze führen.
Ferner ist bevorzugt, dass die Einspritzlöcher so dimensioniert sind, dass über einen zweiten Teilstrahl bei einer Einspritzung eine größere Kraftstoffmasse eingespritzt wird als über einen ersten Teilstrahl.
Diese Ausgestaltung bewirkt einerseits die geringere Eindringtiefe des Zündstrahls und bewirkt darüber hinaus, dass die größere Kraftstoffmenge für die erwünschte homogene Verteilung im Zylinder zur Verfügung steht und nur möglichst wenig Kraftstoff für einen Zündstrahl abgezweigt werden muss. Dadurch werden Einbußen, die sich aus dem Bruch der Symmetrie der Einspritzstrahlanordnung bei warmem Verbrennungsmotor ergeben können, klein gehalten.
Bevorzugt ist auch, dass die Einspritzlöcher so dimensioniert sind, dass über je zwei zweite Teilstrahlen bei einer Einspritzung gleiche Kraftstoffmengen zugemessen werden .
Dieses Merkmal trägt zu einer möglichst weitgehenden Erhaltung einer Symmetrie der Kraftstoffverteilung im Zylinder bei und beeinflusst damit die Verbrennung positiv.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Einspritzdüse Markierungen zum Festlegen einer Einbaudrehwinkelposition aufweist. Bevorzugt ist ferner, dass die Markierungen eine Einbaudrehwinkelposition definieren, bei der ein erster Teilstrahl eine vorbestimmte Ausrichtung zu einer Heizvorrichtung oder Zündvorrichtung im Brennraum aufweist.
Durch diese Ausgestaltungen ist es möglich, die
Einspritzdüse so in einen Zylinderkopf einzubauen, dass der erste Teilstrahl, also der Zündstrahl, in eine vorbestimmte Richtung im Brennraum weist, bei der eine möglichst leichte Entflammung zu erwarten ist. Dies kann zum Beispiel die Richtung sein, in der eine Glühstiftkerze als Kaltstarthilfe angeordnet ist.
Bevorzugt ist auch, dass der erste Teilstrahl zu einer Heizvorrichtung gerichtet ist.
Diese Anordnung stellt sicher, dass das Kaltstartverbesserungspotential der erfindungsgemäßen EinspritzStrahlanordnung auch zum Tragen kommt, wenn eine bei einem bestimmten Winkel angeordnete Heizvorrichtung verwendet wird. Bei ringförmigen oder anderen, über den Umfang des Zylinders verteilten Heizvorrichtungen wäre dieses Merkmal entbehrlich.
Ferner ist bevorzugt, dass die Markierungen eine formschlüssige Verdrehsicherung aufweisen. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch ein Befestigungsmittel zur axialen Fixierung der Einspritzdüse in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors aus.
Bei einer solchen Ausgestaltung ist besonders bevorzugt, dass die Befestigungsmittel eine Gewindehülse oder eine Überwurfmutter aufweisen.
Durch diese Ausgestaltungen ist gleichzeitig eine Winkelorientierung um eine Längsachse der Einspritzdüse und eine hochfeste Montage der Einspritzdüse durch in Richtung der Längsachse wirkende Spannkräfte möglich.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Brennraum mit einer bekannten, zentral angeordneten Einspritzdüse für ein geschichtetes Diesel-Brennverfahren;
Fig. 2 schematisch einen Brennraum mit einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse für ein homogenes Diesel-Brennverfahren; und
Fig. 3 eine aus der Laufrichtung eines Kolbens betrachtete Einspritzdüse als Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Figur 1 ist eine Einspritzdüse 10 dargestellt, deren brennraumseitiges Ende 12 in einen Brennraum 14 hineinragt. Die Einspritzdüse 10 weist an ihrem brennraumseitigen Ende 12 Löcher oder Öffnungen 16, 18, 20 auf, über die Einspritzstrahlen 22 in eine Luftfüllung des Brennraums 14 ausgegeben werden. Dabei erfolgt die Ausgabe der
Einspritzstrahlen 22 in verschiedene Richtungen 24, 26, die einen ersten Öffnungswinkel eines ersten Kegelmantels definieren.
Der Brennraum 14 wird nach oben durch einen Zylinderkopf 30 und zu den Seiten durch einen Zylindermantel 32 begrenzt und von einem Kolben 34 beweglich abgedichtet. Die Ziffer 36 in der Figur 1 markiert die Lage eines oberen Totpunktes der Bewegung des Kolbens 34 im Zylindermantel 32. Die Darstellung der Figur 1 repräsentiert eine bekannte Brennraum- und Einspritzstrahlgeometrie, wie sie in Verbindung mit einer späten Kraftstoffeinspritzung für die Ausbildung einer geschichteten Brennraumladung verwendet wird. Dabei erfolgt die Einspritzung erst relativ spät, also erst kurz bevor der Kolben 34 seinen oberen Totpunkt 36 erreicht. Entsprechend ist das verbleibende Volumen des Brennraums 14 zu diesem Zeitpunkt vergleichsweise flach und breit. Dieser Geometrie des Brennraums 14 zum Einspritzzeitpunkt wird durch eine Geometrie der Einspritzstrahlenwinkel Rechnung getragen, die sich durch einen vergleichsweise weiten ersten Öffnungswinkel 28 auszeichnet. Der erste Öffnungswinkel 28 liegt bei den in der Figur 1 dargestellten Randbedingungen typischerweise zwischen 130 und 160 ° .
Zur Verbesserung der Kaltstarteigenschaften ist üblicherweise im Zylinderkopf 30 eine Glühstiftkerze 38 angeordnet, deren brennraumseitiges Ende 40 elektrisch beheizt wird. Bei dem sehr breiten ersten Öffnungswinkel aus einem Intervall zwischen 130 ° und 160 °, wie er beim Stand der Technik verwendet wird, haben sich gute Kaltstarteigenschaften gezeigt.
Figur 2 zeigt schematisch einen Brennraum 14 mit einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse 42 für ein homogenes
Diesel-Brennverfahren. Die Einspritzdüse 42 gibt einen ersten Teilstrahl 44 in eine Richtung 46 aus, die auf einem ersten Kegelmantel mit einem ersten Öffnungswinkel 28 liegt. Darüber hinaus gibt die Einspritzdüse 42 wenigstens einen zweiten Teilstrahl 48 und/oder 50 in eine zweite
Richtung 52 und/oder 54 aus, die jeweils auf einem zweiten Kegelmantel mit einem zweiten Öffnungswinkel 56 liegen, der kleiner als der erste Öffnungswinkel 28 ist. Der zweite Öffnungswinkel 56 liegt bevorzugt in einem Intervall zwischen 30 ° und 130 °, während der erste Öffnungswinkel 28 dem vom Stand der Technik her bekannten üblichen Öffnungswinkel aus dem Intervall zwischen 130 und 160 c entspricht.
Die zweiten Teilstrahlen 48 und 50 werden mit dem vergleichsweise kleinen Öffnungswinkel 56 eingespritzt, um eine große Eindringtiefe bei einer vergleichsweise früh erfolgenden Einspritzung zu erzielen. Der Kolben 34 ist in diesem Fall noch relativ weit von seiner oberen Totpunktläge 36 entfernt, so dass die bekannte Einspritzgeometrie, wie sie in der Figur 1 abgebildet ist, nur einen Teil des Brennraumvolumens erfassen würde. Der während und nach einer Einspritzung weiter aufwärts laufende Kolben 34 verwirbelt den eingespritzten Kraftstoff mit der Luftfüllung des Brennraums 14, so dass sich als Folge eine weitgehend homogene Kraftstoff-Luft- Gemischverteilung im Brennraum 14 ergibt.
Um eine zuverlässige Entflammung der Brennraumfüllung auch bei tiefen Temperaturen des Brennraums 14 und des
Zylindermantels 32, des Zylinderkopfes 30 und des Kolbens 34 zu gewährleisten, wird der erste Teilstrahl 44 bevorzugt mit dem flacheren, beziehungsweise breiteren, ersten Öffnungswinkel 28 abgesetzt. Dies erfolgt mit dem Ziel, eine lokale Kraftstoffanreicherung an dem brennraumseitigen Ende 40 der Glühstiftkerze 38 zu erzielen. Bei einer passenden Orientierung der Einspritzdüse 42 reicht dazu ein einziger erster Teilstrahl 44 aus, der eine im Vergleich zu den zweiten Teilstrahlen 48 und 50 geringere Eindringtiefe besitzt und der auch weniger Kraftstoff transportiert.
Durch die Einspritzung einer vergleichsweise kleinen Kraftstoffmenge in die Nähe des brennraumseitigen Endes 40 der Glühstiftkerze 38 und durch Dosieren des überwiegenden Teils des eingespritzten Kraftstoffs durch zweite Teilstrahlen 48 im spitzen Winkel in die Tiefe des Brennraums 14 kann sowohl ein homogenes Diesel- Brennverfahren realisiert werden als auch eine zuverlässige Entflammung der Brennraumfüllungen bei tiefen Temperaturen erreicht werden. Der erste Teilstrahl 44 dient damit gewissermaßen als Zündstrahl. Er wird, beispielsweise durch ein kleineres Spritzloch 16, auf eine geringere Einspritzmenge ausgelegt als die anderen Teilstrahlen 48, 50, um die Schadstoffemissionen bei warmem Verbrennungsmotor möglichst wenig zu beeinflussen. Durch die Verringerung der mit dem ersten Teilstrahl 44 transportieren Kraftstoffmenge wird auch die Eindringtiefe des ersten Teilstrahls 44 in den Brennraum 14 reduziert. Die Einspritzdüse 42 wird bevorzugt so in den Zylinderkopf 30 eingesetzt, dass der erste Teilstrahl 44 in Richtung der Glühstiftkerze 38 abgesetzt wird. Zu diesem Zweck kann die Einspritzdüse 42 an ihrem Umfang eine feste Markierung 58 aufweisen, die formschlüssig in ein entsprechend ausgebildetes Gegenstück des Zylinderkopfes 30 passt und die Einspritzdüse 42 in der gewünschten Winkellage fixiert. In axialer Richtung wird die Einspritzdüse 42 bevorzugt mittels Gewindehülsen, Hohlschrauben, Überwurfmuttern oder Pratzen mit dem Zylinderkopf 30 verspannt.
Figur 3 zeigt ein aus der Laufrichtung des Kolbens 34 betrachtetes Einspritzmuster eines Ausführungsbeispiels einer Einspritzdüse 42. Die Einspritzdüse nach der Figur 3 weist eine erste Einspritzöffnung 16 und sieben zweite Einspritzöffnungen 18 auf. Die insgesamt acht
Einspritzöffnungen 16, 18 sind so angeordnet, dass die Richtungen der ausgegebenen Teilstrahlen eine achtzählige Symmetrie aufweisen. Es ist bevorzugt, dass über die zweiten Einspritzöffnungen 18 jeweils untereinander gleiche Einspritzmengen ausgegeben werden, so dass die über die Einspritzöffnungen 18 ausgegebenen Teilstrahlen 48 die gleiche Eindringtiefe besitzen. Dagegen soll der erste Teilstrahl 44 eine geringere Eindringtiefe besitzen und eine geringere Kraftstoffmasse transportieren. Dies ist in der Figur 3 durch einen im Vergleich zu den zweiten Teilstrahlen 48 verkürzten Teilstrahl 44 dargestellt.

Claims

Ansprüche
1. Einspritzdüse (42) zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (14) eines Dieselmotors über wenigstens einen ersten Teilstrahl (44) und wenigstens einen zweiten Teilstrahl (46) , der gleichzeitig mit dem ersten Teilstrahl (44) ausgegeben wird, wobei eine Richtung (46) eines ersten Teilstrahls (44) auf einem ersten Kegelmantel mit einem ersten Öffnungswinkel (28) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Richtung (52, 54) wenigstens eines zweiten Teilstrahls (48, 50) auf einem zweiten Kegelmantel mit einem zweiten Öffnungswinkel (56) liegt, der kleiner als der erste Öffnungswinkel (28) ist.
2. Einspritzdüse (42) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Öffnungswinkel (56) zwischen 30 und 130 Grad liegt.
3. Einspritzdüse (42) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Öffnungswinkel (28) zwischen 130 und 160 Grad liegt.
4. Einspritzdüse (42) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (42) gleichzeitig genau einen ersten Teilstrahl (44) und eine Mehrzahl von zweiten Teilstrahlen (48, 50) ausgibt.
5. ' Einspritzdüse (42) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Teilstrahl (44, 48, 50) durch ein zugeordnetes Einspritzloch (16, 18, 20) an einem brennraumseitigen Ende der Einspritzdüse (42) ausgegeben wird.
6. Einspritzdüse (42) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kegelmäntel die gleiche Kegelachse aufweisen und dass n Einspritzstrahlen (44, 48, 50) auf den beiden Kegelmänteln so verteilt sind, dass sich bei einer Projektion der Richtungen (46, 52, 54) der Einspritzstrahlen (44, 48, 50) auf eine zur Kegelachse senkrechte Ebene eine n-zählige Symmetrie ergibt.
7. Einspritzdüse (42) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrahl
(44) , dessen Richtung auf dem ersten Kegelmantel liegt, eine kleinere Eindringtiefe in einen Brennraum (14) besitzt als ein Teilstrahl (48, 50), dessen Richtung (52, 54) auf dem zweiten Kegelmantel liegt.
8. Einspritzdüse (42) nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzlöcher (16, 18, 20) so dimensioniert sind, dass über einen zweiten Teilstrahl (48, 50) bei einer Einspritzung eine größere Kraftstoffmasse eingespritzt wird als über einen ersten Teilstrahl (44) .
9. Einspritzdüse (42) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzlöcher (16, 18, 20) so dimensioniert sind, dass über je zwei zweite Teilstrahlen (48, 50) bei einer Einspritzung gleiche Kraftstoffmengen zugemessen werden.
9. Einspritzdüse (42) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Einspritzdüse (42) Markierungen (58) zum Festlegen einer Einbaudrehwinkelposition aufweist.
10. Einspritzdüse (42) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen (58) eine Einbaudrehwinkelposition definieren, bei der ein erster Teilstrahl (44) eine vorbestiπimte Ausrichtung zu einer Heizvorrichtung (38) oder Zündvorrichtung im Brennraum aufweist.
11. Einspritzdüse (42) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrahl (44) zu einer Heizvorrichtung (38) gerichtet ist.
12. Einspritzdüse (42) nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen (58) eine formschlüssige Verdrehsicherung bilden.
13. Einspritzdüse (42) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Befestigungsmittel zur axialen Fixierung der Einspritzdüse (42) in einem Zylinderkopf (30) eines Verbrennungsmotors.
14. Einspritzdüse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel eine Gewindehülse oder eine Überwurfmutter aufweisen.
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