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 V ₆ ergeben. Die größeren Brennraumteile Vi, V ₂ und V ₃ benötigen entsprechend mehr Kraftstoff als die kleineren Brennraumteile V ₄ , V ₅ und V ₆ . 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, V ₂ und V ₃ versorgen, weisen einen größe ren Durchmesser auf als die Einspritzöffnungen 8", die die Brennraumteile V ₄ , V ₅ und V ₆ 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 V _n 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 V _n 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.