DE19858345A1 - Brennstoffeinspritzdüse - Google Patents

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffein­ spritzdüse, die dafür ausgebildet ist, um Brennstoff in eine Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine wie beispielsweise einer Dieselmaschine einzuspritzen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In einer Dieselmaschine ist eine Brennstoffeinspritzdüse beispielsweise in einem Zylinderkopf für jeden Zylinder vor­ gesehen, und es wird Brennstoff unter hohem Druck von der Brennstoffeinspritzdüse in jede der Verbrennungskammern der Maschine eingespritzt.

In den meisten Fällen spritzt die Brennstoffeinspritzdüse des zuvor erläuterten Typs den Brennstoff aus einer Vielzahl von Öffnungen oder Auslässen ein, die darin ausgebildet sind, ohne eine Kollision der Brennstoffstrahlen zu bewirken, die aus den jeweiligen Öffnungen ausgestoßen werden.

Mittlerweile ist es wünschenswert, daß der Brennstoff, der in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, daran gehin­ dert wird an den Wänden der Verbrennungskammer anzuhaften (inklusive der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes). Es ist auch wünschenswert, daß der Brennstoff die Form eines Brenn­ stoff-Sprühnebels hat, der mit Luft in der Verbrennungskammer gut durchgemischt ist, um eine Luft/Brennstoffmischung zu erzeugen, die in der Kammer verbrannt werden soll.

Um den Brennstoff in einen Brennstoff-Sprühnebel zu brin­ gen, muß der Brennstoff, der aus der Brennstoffeinspritzdüse ausgestoßen wird, eine ausreichend kleine Sprüh-Eindringung und eine ausreichend kleine Teilchengröße besitzen und muß sich auch einheitlich innerhalb der Verbrennungskammer aus­ breiten. Wenn die Brennstoffeinspritzdüse eine einzelne Öff­ nung oder Loch besitzt, durch welches der Brennstoff einge­ spritzt wird, ist es für solch eine Düse schwierig diese An­ forderungen zu befriedigen.

Bei einem bekannten Beispiel einer Brennstoffeinspritzdü­ se, wie sie in der offengelegten Japanischen Patentveröffent­ lichung Nr. 7-310628 offenbart ist, sind ein Paar von Ein­ spritzlöchern in der Seite eines distalen Endes eines Düsen­ körpers ausgebildet, derart, daß diese Einspritzlöcher von­ einander in der Axialrichtung des Düsenkörpers beabstandet sind, und derart, daß die Injektionsachsen dieser Ein­ spritzöffnungen sich einander schneiden und zwar unter Ein­ schluß eines kleinen Winkels dazwischen. Im Betrieb werden die Brennstoffstrahlen, die aus den jeweiligen Einspritzlö­ chern ausgestoßen werden, veranlaßt miteinander an einer Stelle außerhalb des Düsenkörpers zu kollidieren, um dadurch einen Brennstoff-Sprühnebel zu erzeugen.

Bei der Brennstoffeinspritzdüse, die in der oben erläu­ terten Veröffentlichung offenbart ist, bilden jedoch die In­ jektionsachsen des Paares der Einspritzlöcher einen kleinen Winkel (Kreuzungsachsenwinkel), in welchem sie einander kreu­ zen und daher besitzt der resultierende Brennstoff-Sprühnebel (fuel spray) eine übermäßig starke Sprüh-Eindringung und ei­ nen kleinen Winkel der Ausdehnung (Sprühwinkel). Auch erfährt der Brennstoff in dem Sprühnebel, der auf diese Weise erzeugt wurde, unmöglich eine Zerstäubung und besitzt eine uner­ wünschte große Teilchengröße.

Um die oben geschilderten Probleme zu lösen, kann der Achsenkreuzungswinkel der Injektionsachsen geändert werden. Durch ledigliches Ändern des Achsenkreuzungswinkels der In­ jektionsachsen kann jedoch lediglich die Sprüh-Eindringung reduziert werden oder es kann lediglich der Sprühwinkel (Win­ kel der Ausbreitung des Sprühnebels) erhöht werden oder es kann lediglich die Teilchengröße des Brennstoff-Sprühnebels reduziert werden. Es ist somit schwierig, einen Brennstoff- Sprühnebel zu erzeugen, der alle optimalen Eigenschaften be­ sitzt.

Es war daher wünschenswert eine Brennstoffeinspritzdüse zu schaffen, welche die Fähigkeit besitzt einen Brennstoff- Sprühnebel zu erzeugen, der eine reduzierte Sprüh-Ein­ dringung, einen erhöhten Sprühwinkel und eine reduzierte Teilchengröße zur gleichen Zeit besitzt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf die oben geschilderten Situationen entwickelt. Es ist daher eine erste Aufgabe der Erfindung eine Brennstoffeinspritzdüse zu schaf­ fen, die einen Brennstoff-Sprühnebel mit einer reduzierten Sprüh-Eindringung und einer reduzierten Teilchengröße auf­ grund einer verbesserten Zerstäubung besitzt, wobei gleich­ zeitig der Brennstoff die Möglichkeit erhalten soll, in der Verbrennungskammer einheitlich verteilt zu werden.

Ein zweites Ziel der Erfindung besteht darin, eine Brenn­ stoffeinspritzdüse zu schaffen, die einen Brennstoff-Sprüh­ nebel erzeugt, der für eine Vormisch-Verbrennung vom Kompres­ sions-Zündungstyp geeignet ist, wobei eine reduzierte Sprüh- Eindringung sichergestellt werden soll und eine reduzierte Teilchengröße aufgrund einer verbesserten Zerstäubung sicher­ gestellt werden soll, der Brennstoff jedoch die Möglichkeit erhalten soll, sich in der Brennstoffkammer einheitlich zu verteilen.

Um die erste Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffeinspritzdüse mit einem Einspritz- Düsenkörper mit einem distalen Endabschnitt, in welchem eine Vielzahl von Paaren von Einspritzlöchern ausgebildet sind, derart, daß jedes Paar der Einspritzlöcher von jedem anderen in einer Axialrichtung des Düsenkörpers beabstandet ist, und derart, daß die Injektionsachsen von jedem Paar der Ein­ spritzlöcher sich einander an einer Stelle außerhalb des Dü­ senkörpers schneiden. Bei der Brennstoffeinspritzdüse nach der Erfindung kollidieren Strahlen von Brennstoff, die aus jedem Paar der Einspritzlöcher ausgestoßen werden, miteinan­ der und zwar unmittelbar nach dem Durchgang durch die Ausgän­ ge oder Öffnungen der Injektionslöcher derart, daß ein Ach­ senkreuzungswinkel θ, der durch die Injektionsachsen von je­ dem Paar der Injektionslöcher gebildet wird, in einem Bereich von 30° ≦ θ ≦ 80° liegt. Durch Steuern des Achsenkreuzungs­ winkels innerhalb dieses Bereiches wird die Sprüh-Eindringung reduziert und es wird der Brennstoff einheitlich und weit verstreut in der Verbrennungskammer der Maschine verteilt, während die Zerstäubung des Brennstoffs erhöht oder verbes­ sert wird, um eine reduzierte Teilchengröße zu schaffen. Kon­ sequenter Weise kann der Brennstoff in der Verbrennungskammer gut mit Luft vermischt werden und zwar bei einem verbesserten Wirkungsgrad und das resultierende Luft-Brennstoff-Gemisch wird in einer gewünschten Weise verbrannt, wodurch dann aus­ gezeichnete Abgaseigenschaften sichergestellt werden.

Um das genannte zweite Ziel zu erreichen, schafft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffeinspritzdüse, die einen Einspritzdüsenkörper mit einem distalen Endabschnitt enthält, in welchem eine Vielzahl von Paaren von Einspritzlöchern aus­ gebildet sind, derart, daß jedes Paar der Einspritzlöcher in einer axialen Richtung des Düsenkörpers voneinander beabstan­ det ist, und derart, daß die Injektionsachsen von jedem Paar der Injektionslöcher sich an einer Stelle außerhalb des Dü­ senkörpers einander schneiden. Bei dieser Brennstoffein­ spritzdüse kollidieren Strahlen des Brennstoffs, der aus je­ dem Paar der Einspritzlöcher ausgestoßen wird, miteinander und zwar unmittelbar nach Passieren durch die Auslässe oder Öffnungen der Injektionslöcher und zwar während einer Zeitpe­ riode zwischen einer Anfangsperiode des Ansaughubes eines Kolbens einer Maschine und einer Zwischenperiode eines Kom­ pressionshubes des Kolbens, derart, daß ein Achsenkreuzungs­ winkel θ, der durch die Injektionsachse von jedem Paar der Injektionslöcher gebildet wird, in einem Bereich von 30° ≦ θ ≦ 80° liegt. Durch Steuern des Achsenkreuzungswinkels innerhalb dieses Bereiches wird die Sprüh-Eindringung redu­ ziert und es wird der Brennstoff einheitlich und weit oder weitreichend in der Verbrennungskammer der Maschine zer­ streut, während eine Zerstäubung des Brennstoffs erhöht oder verbessert wird, um eine reduzierte Teilchengröße zu schaf­ fen. Somit ist die Brennstoffeinspritzdüse dazu fähig, einen Brennstoff-Sprühnebel zu er zeugen, der für eine Vormisch- Verbrennung vom Kompressions-Zündungstyp geeignet ist und es läßt sich der Brennstoff gut mit Luft in der Verbrennungskam­ mer bei verbessertem Wirkungsgrad mischen.

Bei einer bevorzugter Ausführungsform der Erfindung, wie sie unmittelbar zuvor beschrieben wurde, ist ein Hohlraum in einem mittleren Abschnitt des Kolbens ausgebildet, derart, daß der Hohlraum eine Größe besitzt, die ausreichend groß ist, um Brennstoff-Sprühnebel aufzunehmen, der aus der Kolli­ sion der Strahlen des Brennstoffs resultiert, welcher aus den Einspritzlöchern emittiert wird. Zusätzlich zu den oben be­ schriebenen Vorteilen kann eine vorbereitende Mischung des Brennstoffs mit Luft während des Kompressionshubes des Kol­ bens erreicht werden oder während des Anhebeprozesses des Kolbens, so daß dadurch eine vorteilhafte Vormisch-Ver­ brennung gemäß einer Kompressions-Zündung ermöglicht wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird mehr in Einzelheiten unter Hinweis auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen

Fig. 1A eine Ansicht ist, die eine Konstruktion eines Hauptteiles einer Brennstoffeinspritzdüse gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und Fig. 1B eine Ansicht ist, welche die Form des Brennstoff- Sprühnebels, der aus der Brennstoffeinspritzdüse ausgestoßen wird, wiedergibt;

Fig. 2 ein Graph ist, der die Beziehungen zwischen den Achsenkreuzungswinkel θ der Injektionsachsen von jedem Paar der Injektionslöcher (Kollisionswinkel der Brennstoffstrah­ len, die aus den Löchern ausgestoßen werden) und die Sprüh- Eindringung und den Sprühwinkel jeweils zeigt;

Fig. 3 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen dem Achsenkreuzungswinkel θ der Injektionsachsen von jedem Paar von Injektionslöchern (Kollisionswinkel der Brennstoffstrah­ len, die aus den Löchern ausgestoßen werden) und der Teil­ chengröße des resultierenden Brennstoff-Sprühnebels zeigt;

Fig. 4 eine Ansicht ist, welche die Struktur eines Hauptteiles der Brennstoffeinspritzdüse gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 5 eine Ansicht ist, welche die Struktur eines Hauptteiles einer Brennstoffeinspritzdüse gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

Fig. 6 eine Ansicht ist, welche die Struktur eines Hauptteiles einer Brennstoffeinspritzdüse gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und

Fig. 7A bis Fig. 7H Ansichten sind, die zur Erläuterung der Dispersion der Brennstoff-Sprühstrahlen in Relation zu dem Achsenkreuzungswinkel θ der Injektionsachsen von jedem Paar der Einspritzlöcher nützlich sind (Kollisionswinkel der Brennstoffstrahlen, die aus den Löchern ausgestoßen werden).

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wer­ den nun unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben.

Um zunächst auf Fig. 1 bis Fig. 3 einzugehen, so wird ei­ ne Brennstoffeinspritzdüse gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Umgebung einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine wie beispielsweise einer Dieselmaschine, mit einer Brennstoffeinspritzdüse der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 ist ein Zylinderkopf 2 auf der oberen Fläche eines Zylinderblocks 1 montiert. Ein Kolben 4 ist in eine Zylinder­ bohrung 3 eingepaßt, die in dem Zylinderblock 1 ausgebildet ist, derart, daß der Kolben 4 entlang der Zylinderbohrung 3 hin und her verlaufen kann. Ein Hohlraum oder eine Ausnehmung 4a ist in einem oberen zentralen Abschnitts des Kolbens 4 ausgebildet.

Eine Brennstoffeinspritzdüse 5 ist in einem Abschnitt des Zylinderkopfes 2 installiert, der jedem Zylinder der Maschine entspricht, wobei dieser an einem im wesentlichen zentralen Abschnitt des Hohlraums 4a gelegen ist. Ein Brennstoffzuführ­ system (nicht gezeigt) wie beispielsweise eine Brennstoffein­ spritzpumpe oder Akkumulator ist dafür ausgebildet, um Brenn­ stoff der Brennstoffeinspritzdüse 5 zuzuführen.

Die Brennstoffeinspritzdüse 5 enthält einen Düsenkörper 7, der mit einem Düsensack 6 (oder Sackvolumen einer Düsen­ spitze) an dessen distalem Ende ausgestattet ist, und es ist ein Nadelventil 8 enthalten, welches innerhalb des Düsenkör­ pers 7 derart aufgenommen ist, daß das Ventil 8 zu dem Düsen­ sack 6 hin und von diesem weg hin und her verlaufen kann. Der Düsensack 6 des Düsenkörpers 7 steht von der unteren Oberflä­ che des Zylinderkopfes 2 vor und zwar in den Hohlraum 4a hin­ ein, der durch den Kolben 4 festgelegt ist. Der Düsensack 6 ist mit einer Vielzahl von Einspritzteilen 9 ausgestattet, die in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Wenn das Düsen­ ventil 8 angehoben wird, wird Brennstoff unter hohem Druck, der von dem Brennstoffzuführsystem zugeführt wird, zu dem Hohlraum 4a des Kolbens 4 hin eingespritzt und zwar durch die jeweiligen Einspritzteile 9.

Ein Paar der Einspritzlöcher 9a, 9b sind durch jedes der Einspritzteiie 9 des Düsensackes 6 hindurch ausgebildet, der­ art, daß die Löcher 9a, 9b in der Axialrichtung des Düsenkör­ pers 6 voneinander beabstandet sind. Die Einspritzlöcher 9a, 9b erstrecken sich schräg zu dem Hohlraum 4a oder nach unten, und die Einspritzachsen X1, X2 der Einspritzlöcher 9a, 9b kreuzen einander außerhalb von den Düsenkörper 7. Spezieller gesagt ist das Einspritzloch 9a durch den Außenumfangsab­ schnitt des Düsensackes 6 in der Umgebung oder Nachbarschaft der Grenze zwischen dem Düsensack 6 und dem Düsenkörper 7 ausgebildet, derart, daß das Loch 9a sich von der inneren Bohrung des Düsenkörpers 7 zu dem Hohlraum 4a hin erstreckt, wobei es leicht in bezug auf die Ebene geneigt ist, die senk­ recht zur Achse des Düsenkörpers 7 verläuft. Das Einspritz­ loch 9b ist durch einen Ventilsitz 8a hindurch ausgebildet, um das Nadelventil 8 aufzunehmen und zwar in der Nachbar­ schaft der oben genannten Grenze, so daß das Loch 9b sich schräg von der inneren Bohrung des Düsenkörpers 7 zu dem Hohlraum 4a hin erstreckt, um einen spitzen Winkel in bezug auf die Ebene zu bilden, die senkrecht zu der Achse des Dü­ senkörpers 7 verläuft. Durch geeignetes Steuern der Richtun­ gen der Paare der Einspritzlöcher 9a, 9b werden zwei Strahlen aus Brennstoff, die aus den Löchern 9a, 9b ausgestoßen wer­ den, dazu gebracht miteinander zu kollidieren und zwar an ei­ ner Stelle (dem Schnittpunkt der Einspritzachsen X1, X2) un­ mittelbar außerhalb der Ausgänge oder Auslässe der Löcher oder Bohrungen.

Der Winkel (Achsenkreuzungswinkel) θ, der durch die Ein­ spritzachsen X1, X2 der Einspritzlöcher 9a, 9b gebildet wird, nämlich der Winkel (Kollisionswinkel) θ, in dem zwei Strahlen des Brennstoffs, der aus jedem Paar der Einspritzlöcher 9a, 9b ausgestoßen wird, miteinander an der Außenseite des Düsen­ körpers 7 kollidieren, wird auf einen geeigneten Wert in dem Bereich von 30° ≦ θ ≦ 80° gesteuert, so daß ein günstiger Brennstoff-Sprühnebel oder Nebel gebildet werden kann.

Ein Brennstoffstrahl, der aus der Kollision der zwei Brennstoffstrahlen an der Schnittstelle der Achsen X1, X2 von jedem Paar der Einspritzlöcher 9a, 9b resultiert, besitzt ei­ ne allgemein flache Gestalt, wenn man in vertikaler Richtung blickt, und dehnt sich oder weitet sich über eine horizontale Ebene aus, um eine gewisse Verteilung der Brennstoffkonzen­ tration zu erzeugen, wie dies in Fig. 1A und Fig. 1B gezeigt ist. Die Art, mit welcher der Brennstoffstrahl oder der Sprühnebel sich ausweitet bestimmt die Sprüh-Eindringung, den Grad der Zerstäubung des Sprühnebels und den Grad der Auswei­ tung des Sprühnebels (Sprühwinkel).

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben bestimmte Experimente durchgeführt, um eine Beziehung zwischen dem Kol­ lisionswinkel θ und der Sprüh-Eindringung, dem Sprühwinkel und der Teilchengröße des Brennstoff-Sprühnebels herauszufin­ den. Fig. 2 zeigt die Ergebnisse der Experimente in Ausdrücken der Sprüh-Eindringung und des Sprühwinkels (wie in Fig. 1B gezeigt ist).

Wenn der Kollisionswinkel θ gleich war oder kleiner war als 20°, zeigte der Brennstoff-Sprühnebel eine starke Tendenz zu einer Zylinder-Buchsenwand hingelenkt zu werden (d. h. in der radialen Richtung des Zylinders), und es wurde daher die Sprühstrahleindringung oder die Strecke der Erstreckung des Sprühnebels übermäßig erhöht. Als ein Ergebnis neigte der Brennstoff dazu, an der Zylinder-Buchsenwand anzuhaften. Wenn der Kollisionswinkel θ um die 30° betrug, zeigte der resul­ tierende Brennstoff-Sprühnebel im wesentlichen die gleiche Sprüh-Eindringung wie diejenige, die durch eine herkömmliche Düse erzeugt wird. Wenn der Kollisionswinkel θ 30° oder grö­ ßer gewählt wurde, wurde die Kraft des Sprühnebels, der zu der Zylinder-Buchsenwand hingerichtet war (d. h. in der radia­ len Richtung des Zylinders) reduziert und zwar mit der Zunah­ me des Kollisionswinkels θ, es war nämlich die Sprüh- Eindringung umgekehrt proportional zu dem Kollisionswinkel.

Der Sprühwinkel zeigte eine Tendenz sich zu vergrößern und zwar mit Reduzierung der Sprüh-Eindringung, mit einer Vergrößerung in dem Kollisionswinkel θ. In der Tat war der Sprühwinkel äquivalent zu demjenigen der herkömmlichen Düse, wenn der Kollisionswinkel θ 20° oder kleiner war und nahm in der Proportion zu dem Kollisionswinkel θ zu, so bald der Kol­ lisionswinkel θ die 20° überschritten hat.

Die Teilchengröße des Brennstoff-Sprühnebels war äquiva­ lent zu derjenigen der herkömmlichen Düse, wenn der Kollisi­ onswinkel θ gleich oder kleiner war als 30° und sie wurde um Grade reduziert, wenn der Kollisionswinkel θ die 30° über­ schritt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Ferner wurde sie um angenähert 10% reduziert, wenn der Kollisionswinkel θ gleich war oder größer war als 40°.

Zwischenzeitlich wurde die Brennstoff-Einspritzdüse 5 mit einer Vielzahl von Paaren von Einspritzlöchern oder Bohrungen 9a, 9b ausgestattet, die in einer Umfangsrichtung der Düse angeordnet sind, so daß die größtmögliche Menge an Brennstoff in den Hohlraum 4a innerhalb einer kurzen Zeit eingespritzt werden kann. Im Betrieb sollte ein Brennstoff-Strahl oder Sprühnebel, der aus der Kollision von zwei Strahlen des Brennstoffs resultiert, die aus jedem Paar von Einspritzlö­ chern 9a, 9b ausgestoßen werden, verteilt wenden und mit an­ deren Brennstoff-Sprühnebeln vermischt werden, die sich aus der Kollision von Brennstoffstrahlen aus benachbarten Paaren von Einspritzlöchern ergeben, wobei die Luft mit involviert ist, welche die Brennstoff-Sprühnebel umgibt. Zu diesem Zweck ist es wünschenswert, daß eine Luftschicht oder ein Luftfilm zwischen den Sprühnebeln vorhanden ist, die aus den benach­ barten Paaren von Einspritzlöchern 9a, 9b ausgestoßen werden, um dadurch die gewünschte Dispersion und Mischung dieser Brennstoff-Sprühnebel zu erreichen.

Fig. 7(a) bis 7(h) zeigen die Beziehungen zwischen der Größe des Kollisionswinkels θ und dem Vorhandensein der Luft­ schicht, die unter Verwendung des Sprühwinkels festgelegt sind. Wenn der Kollisionswinkel θ gleich 20° oder kleiner ist, kann eine große Anzahl von Paaren von Einspritzlöchern oder Bohrungen vorgesehen werden, da der Sprühwinkel klein ist, es neigt jedoch der Sprühnebel dazu an der Zylinder- Buchsenwand anzuhaften (oder der Hohlraumwand) und wird nicht mit der Luft vermischt. Wenn der Kollisionswinkel θ in dem Bereich von 30° bis 80° liegt, ist eine geeignete Luftschicht zwischen den Sprühnebeln vorhanden, die von den benachbarten Paaren von Einspritzlöchern ausgestoßen werden, wobei die Ausbildung einer gleichen oder größeren Anzahl von Einspritz­ löchern verglichen mit denjenigen einer herkömmlichen Düse zugelassen oder ermöglicht wird. Wenn der Kollisionswinkel θ 80° überschreitet, neigt die Menge an Luft übermäßig groß zu werden verglichen mit derjenigen des Brennstoffs. In Fig. 7 ist die Interferenz zwischen den Brennstoff-Sprühnebeln und der Zahl der Einspritzlöcher unter einer Bedingung festgelegt oder bestimmt, gemäß der geometrische Formen oder Gestalten oder Bereiche der Sprühnebel, die aus dem Sprühwinkel berech­ net wurden, sich einander nicht in der Umfangsrichtung über­ lappen.

Wie aus der vorangegangenen Beschreibung verstanden wer­ den kann, wird die obere Grenze des Kollisionswinkels θ auf 80° eingestellt, so daß eine geeignete Luftmenge zwischen den Brennstoff-Sprühnebeln vorhanden ist, die aus den benachbar­ ten Paaren von Einspritzlöchern ausgestoßen werden.

Es folgt aus der oben gegebenen Beschreibung, daß der Kollisionswinkel θ innerhalb des Bereiches von 30° ≦ θ ≦ 80° eingestellt wird (der Bereich ist in Fig. 2 durch A angege­ ben), um dadurch drei Forderungen oder Erfordernisse zu be­ friedigen, nämlich die Reduzierung der Strahl-Eindringung, Reduzierung der Teilchengröße des Brennstoff-Sprühnebels und eine einheitliche Brennstoffverteilung, die erreicht werden kann, indem man Schwankungen in der Konzentration des Brenn­ stoffs beseitigt. Speziell wird der Kollisionswinkel θ in be­ vorzugtester Weise auf 60° eingestellt.

Wenn der Kollisionswinkel θ in dem oben angegebenen Be­ reich gesteuert wird, kann die Brennstoffeinspritzdüse 5 nach der vorliegenden Erfindung Brennstoff-Sprühnebel erzeugen, die eine ausreichend kleine Sprüh-Eindringung und eine signi­ fikant reduzierte Teilchengröße besitzen, derart, daß der Brennstoff einheitlich und weit zerstreut oder verteilt wer­ den kann. Es werden somit die Brennstoff-Sprühnebel, die durch die vorliegende Brennstoffeinspritzdüse 5 erzeugt wer­ den, daran gehindert an den Wänden der Verbrennungskammer an­ zuhaften (inklusive der unteren Oberfläche des Zylinderkopfes 2), und der Brennstoff wird somit gut mit Luft in der Ver­ brennungskammer mit einem hohen Wirkungsgrad vermischt, um eine günstige Luft/Brennstoff-Mischung zu erzeugen, die in der Kammer zu verbrennen ist.

Bei der oben erläuterten Ausführungsform sind die Ein­ spritzlöcher oder Bohrungen 9a, 9b durch den Düsensack 6 und den Ventilsitz 8 jeweils hindurch verlaufend ausgebildet. Bei der zweiten Ausführungsform, wie diese in Fig. 4 gezeigt ist, sind beide Einspritzlöcher oder Bohrungen 9a, 9b durch den Düsensack 6 hindurchgehend ausgebildet. Auch in diesem Fall liefert das Brennstoffeinspritzventil 5 die gleichen Effekte und Wirkungen wie bei der ersten Ausführungsform.

Bei der dritten Ausführungsform, die in Fig. 5 gezeigt ist, sind beide Einspritzöffnungen oder Bohrungen 9a, 9b durch den Ventilsitz 8 hindurchgehend ausgebildet. Auch in diesem Fall liefert die Brennstoffeinspritzdüse 5 die glei­ chen Effekte und Wirkungen wie sie durch die erste Ausfüh­ rungsform erzielt werden. In Fig. 5 sind die gleichen Bezugs­ zeichen wie in Fig. 1 verwendet, um entsprechende Komponenten zu bezeichnen.

Eine Brennstoffeinspritzdüse gemäß der vierten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung soll nun unter Hinweis auf Fig. 6 beschrieben werden.

Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Achsenkreu­ zungswinkel θ, der durch die Einspritzachsen X1, X2 von jedem Paar der Einspritzlöcher 9a, 9b gebildet ist, nämlich der Kollisionswinkel θ, in welchem zwei Brennstoffstrahlen, die aus den Einspritzlöchern 9a, 9b ausgestoßen wurden, miteinan­ der außerhalb des Düsenkörpers 7 kollidieren, in einem Be­ reich von 30° ≦ θ ≦ 80° eingestellt, so daß die Brennstoff­ einspritzdüse Brennstoff-Sprühnebel emittieren kann, die für eine Vormischverbrennung gemäß einer Kompressionszündung ge­ eignet sind, wie im folgenden beschrieben wird.

Die sogenannte Vormischverbrennung gemäß einer Kompressi­ onszündung ist als ein Verfahren bekannt, um eine magere Ver­ brennung einer brennstoffarmen Luft/Brennstoff-Mischung zu realisieren. Bei diesem Verbrennungsverfahren wird Brennstoff in den Zylinder während einer frühen Periode des Verbren­ nungszyklus' eingespritzt (nämlich zwischen der Anfangspe­ riode des Ansaughubes und der Zwischenperiode des Kompressi­ onshubes), so daß der Brennstoff gut mit der Luft vermischt wird und zwar über eine bestimmte Zeitdauer hinweg, um da­ durch eine einheitliche brennstoffarme oder magere Luft/Bren­ nstoff-Mischung in dem gesamten Volumen des Zylinders für die nachfolgende Verbrennung zu erzeugen. Es wird beispielsweise der Brennstoff in den Zylinder in der Anfangsperiode des Kom­ pressionshubes eingespritzt und wird dann mit der Luft wäh­ rend des Kompressionshubes vermischt, so daß die vorgemischte Mischung selbst zündet und zwar am Ende des Kompressionshu­ bes.

Um in günstiger Weise die Verbrennung mit der mageren Mi­ schung zu erreichen, ist es wünschenswert den Brennstoff dar­ an zu hindern, an der unteren Fläche des Zylinderblockes 2 anzuhaften und wünschenswert die Brennstoff-Sprühnebel mit einer reduzierten Sprüh-Eindringung zu erzeugen, die zu dem Kolben 4 hin gerichtet sind, der von seiner oberen Totpunkt­ lage beabstandet ist während deren Zerstäubung beschleunigt wird, nämlich deren Teilchengröße reduziert wird.

Zusätzlich zu den oben genannten Punkten ist es auch bei der Vormischverbrennung gemäß dem Kompressions-Zündungstyp wünschenswert eine große Menge an Brennstoff innerhalb einer kurzen Zeit einzuspritzen, so daß sichergestellt wird, daß eine ausreichende Menge an einer vorgemischten Luft/Bren­ nstoff-Mischung erreicht wird, nämlich die gewünschte Brenn­ stoffmenge in einer kurzen Zeit eingespritzt wird, um eine Mischung des Brennstoffes mit Luft zu erreichen, ohne daß da­ bei der Brennstoff die Möglichkeit erhält an der Zylinder­ buchsenwand anzuhaften. Wenn die Brennstoffeinspritzdüse die Brennstoff-Sprühnebel nicht so erzeugen kann, um diesen An­ forderungen zu genügen, ist es unmöglich eine günstige Vor­ mischverbrennung innerhalb des Zylinders durchzuführen.

Bei der Brennstoffeinspritzdüse 5 der vorliegenden Aus­ führungsform ist daher jedes Paar der Einspritzlöcher oder Bohrungen 9a, 9b so ausgebildet, daß es sich schräg zu dem Hohlraum 4a des Kolbens 4 erstreckt oder nach unten erstreckt derart, daß die Einspritzachsen X1, X2 dieser Löcher oder Bohrungen sich einander außerhalb des Düsenkörpers 7 schnei­ den, um dadurch Brennstoff-Sprühnebel zu erzeugen, die zu der oberen Fläche des Kolbens 4 in der Anfangsperiode des Kom­ pressionshubes hin gerichtet sind, um nämlich den Brennstoff dichter beim Zentrum des Kolbens 4 verglichen mit der ersten Ausführungsform einzuspritzen. Der Winkel (Achsenkreuzungs­ winkel) θ, in welchem die Einspritzachsen X1, X2 einander an der Außenseite des Düsenkörpers 7 schneiden, nämlich der Kol­ lisionswinkel θ, in welchem die zwei Brennstoffstrahlen, die aus den Einspritzlöchern 9a, 9b ausgestoßen werden, außerhalb des Düsenkörpers 7 miteinander kollidieren, wird in einem Be­ reich von 30° ≦ θ ≦ 80° eingestellt wie bei der ersten Aus­ führungsform. Wenn der Kollisionswinkel auf diese Weise ge­ steuert wird, zeigen die resultierenden Brennstoff-Sprühnebel die gewünschten Eigenschaften und die Brennstoffeinspritzdüse zeigt die gewünschten Einspritzeigenschaften.

Das Einstellen des Kollisionswinkels θ innerhalb des oben angegebenen Bereiches ist bei der Vormisch-Verbrennung gemäß einer Kompressionszündung vorteilhaft, da die gewünschte Brennstoffmenge in einer kurzen Zeit eingespritzt werden kann, ohne daß der Brennstoff die Möglichkeit erhält an der Buchsenwand anzuhaften, so daß das Vermischen des Brennstoffs mit Luft in einer kurzen Zeit vervollständigt werden kann. Die Brennstoffeinspritzdüse der vorliegenden Ausführungsform erreicht somit die gewünschten Eigenschaften und zwar eine hohe Einspritzrate, einen hohen Grad der Dispersion und eine verbesserte Zerstäubung (oder reduzierte Teilchengröße) des Brennstoff-Sprühnebels.

Hierbei bedeutet eine hohe Einspritzrate, daß eine große Brennstoffmenge innerhalb einer kurzen Zeit eingespritzt wer­ den kann. Spezieller gesagt wird die Rate der Einspritzung erhöht mit einer Zunahme des Gesamtbereiches der Einspritzlö­ cher oder einer Zunahme in der Zahl der Paare der Einspritz­ löcher, wenn die gleiche Größe der Löcher vorgesehen wird.

Der hohe Grad an Brennstoff-Dispersion bedeutet, daß sich der Brennstoff einheitlich ausweitet oder zersprüht wird wäh­ rend er weitläufig verteilt wird, um dadurch gut mit Luft vermischt zu werden. Um einen hohen Grad an Brennstoff- Dispersion zu erzielen, wird ein ausreichend großer Sprühwin­ kel vorgesehen, wobei sichergestellt wird, daß ein Brenn­ stoff-Sprühnebel von jedem Paar der Einspritzlöcher nicht mit einem Brennstoff-Sprühnebel von einen anderen Paar von Lö­ chern interferiert. Spezieller ausgedrückt wird der Grad der Brennstoff-Dispersion mit einer Zunahme in der Zahl der Ein­ spritzlöcher erhöht und auch mit einer Zunahme des Gesamtbe­ reiches der Einspritzlöcher.

Das folgende wurde unter Berücksichtigung von gewünschten Eigenschaften in Ausdrücken der Adhäsion des Brennstoffs an einer Wand, der Rate der Brennstoffeinspritzung, der Disper­ sion und der Vermischung des Brennstoff-Sprühnebels und der Zerstäubung in Hinblick auf die oben erwähnten Punkte abge­ leitet.

Die Adhäsion des Brennstoffs an der Wand der Verbren­ nungskammer kann aus einer Änderung in der Brennstoff-Sprüh­ eindringung bei variierendem Kollisionswinkel θ beurteilt werden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn nämlich der Kol­ lisionswinkel θ 20° oder kleiner ist, hat der Brennstoff- Sprühnebel eine starke Tendenz zu der Zylinder-Buchsenwand hin gelenkt zu werden (d. h. in der radialen Richtung des Zy­ linders) oder die Sprüh-Eindringung neigt dazu groß zu werden und daher neigt der Brennstoff-Sprühnebel dazu, an der Zylin­ der-Buchsenwand anzuhaften. Wenn der Kollisionswinkel θ um die 30° beträgt, zeigt die Brennstoffeinspritzdüse im wesent­ lichen die gleiche Sprüh-Eindringung wie eine herkömmliche Brennstoffeinspritzdüse. Wenn der Kollisionswinkel θ 30° überschreitet, wird die Kraft, die zu der Buchsenwand hin ge­ richtet ist (in der radialen Richtung des Zylinders) mit ei­ ner Zunahme in dem Kollisionswinkel θ reduziert, es ist näm­ lich die Sprüh-Eindringung umgekehrt proportional zu dem Kol­ lisionswinkel θ.

Die Beziehung des Kollisionswinkels θ mit der Rate der Brennstoffeinspritzung kann aus der Dispersion der Brenn­ stoff-Sprühnebel verstanden werden, wie dies in Fig. 7(a) bis Fig. 7(h) dargestellt ist.

Um die Menge der Einspritzung pro Zeiteinheit zu vergrö­ ßern, kann die Zahl der Paare der Einspritzlöcher erhöht wer­ den und zwar bei gleichzeitiger Reduzierung des Kollisions­ winkels θ sofern benachbarte Brennstoff-Sprühnebel oder Sprühstrahlen nicht miteinander interferieren. Wenn fünfzehn Paare von Einspritzlöchern vorgesehen sind, und zwar bei ei­ nem Kollisionswinkel θ von 20° oder kleiner, ist die Sprüh- Eindringung übermäßig groß, was zu einer Adhäsion des Brenn­ stoffs an der Zylinder-Buchsenwand führt. Wenn die Zahl der Paare der Einspritzlöcher in dem Bereich von 11 bis 6 liegt und zwar bei einem Kollisionswinkel 0 in dem Bereich von 30° bis 60°, wird die Zahl der Einspritzlöcher durch die Sprüh- Eindringung ausgeglichen. Die Zahl der Paare der Einspritzlö­ cher erreicht ihre untere Grenze, wenn der Kollisionswinkel θ gleich 80° ist.

Die Interferenz zwischen Brennstoff-Sprühnebeln und der Zahl der Paare der Einspritzlöcher in Fig. 7(a)-(h) werden unter einer Bedingung bestimmt, bei der geometrische Gestal­ ten oder Bereiche der Sprühnebel, die aus dem Sprühwinkel be­ rechnet wurden, sich in der Umfangsrichtung einander nicht überlappen.

Die Dispersion/Mischung des Brennstoff-Sprühstrahls oder Sprühnebels kann auch aus Fig. 7(a) bis Fig. 7(h) verstanden werden. Es ist nämlich wünschenswert, daß ein Brennstoff- Sprühnebel, der aus der Kollision der Brennstoffstrahlen aus jedem Paar der Einspritzlöcher resultiert, mit anderen Brenn­ stoff-Sprühnebeln oder Sprühstrahlen vermischt wird, die aus benachbarten Paaren von Einspritzlöchern stammen, während Luft involviert ist, welche die Brennstoff-Sprühstrahlen oder Sprühnebel umgibt, so daß die resultierende Luft/Brennstoff- Mischung sich einheitlich innerhalb des Zylinders ausweitet.

Um eine günstige Dispersion/Mischung sicherzustellen, ist eine Luftschicht oder Luftfilm erforderlich, der zwischen den Brennstoff-Sprühstrahlen vorhanden ist, und aus der Kollision der Brennstoffstrahlen von benachbarten Paaren der Einspritz­ löcher resultiert, so daß diese Brennstoff-Sprühstrahlen oder Sprühnebel dispergiert und miteinander vermischt werden kön­ nen.

Wie aus Fig. 7(a) bis 7(h) verstanden werden kann, haften dann, wenn der Kollisionswinkel θ gleich 30° oder kleiner ist, einige Abschnitte der Brennstoff-Sprühstrahlen oder Sprühnebel an der Buchsenwand an und werden nicht mit Luft vermischt, was in Ausdrücken des Mischvorganges des Brenn­ stoffes mit der Luft nachteilig ist. Wenn die Zahl der Paare der Einspritzlöcher in dem Bereich von 6 bis 11 liegt bei ei­ nem Einspritzwinkel θ in dem Bereich von über 30° bis 60°, ist eine geeignete Menge an Luft zwischen benachbarten Sprüh­ strahlen oder Sprühnebeln als ein Ergebnis der Kollision vor­ handen. Wenn der Kollisionswinkel θ gleich 80° ist, erreicht die Zahl der Paare der Einspritzlöcher (vier) die niedrigste Grenze, die noch ein Mischen des Brennstoffes mit Luft zu­ läßt. Wenn der Kollisionswinkel θ 80° überschreitet, wird die Menge an Luft übermäßig groß, wodurch es schwierig wird, eine einheitliche Luft/Brennstoff-Mischung zu erzeugen.

In bezug auf den Grad der Zerstäubung, kann aus Fig. 3 verstanden werden, welche Änderungen in der Teilchengröße bei einem Kollisionswinkel θ zeigt, daß dann, wenn der Kollisi­ onswinkel 30° oder kleiner ist, die Teilchengröße äquivalent ist derjenigen des Brennstoff-Sprühnebels, der durch eine herkömmliche Brennstoffeinspritzdüse emittiert wird, wie dies oben unter Hinweis auf die erste Ausführungsform erläutert wurde. Wenn der Kollisionswinkel θ die 30° überschreitet, wird die Teilchengröße um etwa 10% reduziert und es werden feine Teilchen erzeugt.

Die TABELLE 1, die unten aufgeführt ist, zeigt die Ergeb­ nisse der Beurteilung, ob die Brennstoff-Sprühnebel, die von einer herkömmlichen Brennstoffeinspritzdüse emittiert wurden und von Brennstoffeinspritzdüsen der vorliegenden Erfindung emittiert wurden, für eine Vormisch-Verbrennung gemäß einer Kompressionszündung geeignet sind und zwar in Hinblick auf die oben genannten Eigenschaften und den Änderungen in dem Sprühwinkel bei einem Kollisionswinkel θ, wie in Fig. 3 ge­ zeigt ist. In der TABELLE 1 gibt "A" den höchsten Wert wie­ der, "B" gibt einen relativ hohen Wert wieder, "C" gibt einen zufriedenstellenden Wert wieder und D gibt einen Wert unter­ halb eines erforderlichen Wertes wieder.

TABELLE 1

Wie aus den oben angegeben Ergebnissen beurteilt werden kann, wurde herausgefunden, daß die Brennstoffeinspritzdüse die Fähigkeit hat die gewünschten Brennstoff-Sprühnebel zu erzeugen, und auch geeignete Einspritzeigenschaften für eine Vormisch-Verbrennung gemäß einer Kompressionszündung zeigt, wenn der Kollisionswinkel θ, in welchem Strahlen des Brenn­ stoffs, die aus jedem Paar der Einspritzlöcher 9a, 9b ausge­ stoßen werden, miteinander kollidieren, in dem Bereich von 30° ≦ θ ≦ 80° liegt.

Wenn zusätzlich der Kollisionswinkel θ in dem Bereich von 40° ≦ θ ≦ 80° liegt, werden die oben angegebenen Eigenschaf­ ten besser als solche in dem Bereich von 30° ≦ θ ≦ 80°. Wenn speziell der Kollisionswinkel θ gleich 60° beträgt, sind alle die oben angegebenen Eigenschaften bei weitem besser als die­ jenigen im Falle von anderen Kollisionswinkeln.

Ferner wird die Größe (und Gestalt) des Hohlraumes 4a, der in einem zentralen Abschnitt der oberen Fläche des Kol­ bens 4 ausgebildet ist, ausreichend groß eingestellt, um Brennstoff aufzunehmen, der von der Brennstoffeinspritzdüse eingesprüht wird, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Demzufolge wird der Brennstoff gut mit Luft vor der Verbrennung während des Kompressionshubes oder des Anhebprozesses des Kolbens 4 vermischt, so daß dadurch eine noch wünschenswertere Vor­ misch-Verbrennung gemäß einer Kompressionszündung sicherge­ stellt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 6 die gleichen Be­ zugszeichen verwendet sind wie bei der ersten Ausführungsform von Fig. 1, um entsprechende Komponenten zu identifizieren.

Claims (7)

1. Brennstoffeinspritzdüse, die einen Einspritzdüsenkör­ per aufweist, der einen distalen Endabschnitt besitzt, in welchem eine Vielzahl von Paaren von Einspritzlöchern ausge­ bildet sind, derart, daß jedes Paar der Einspritzlöcher in einer axialen Richtung des Einspritzdüsenkörpers voneinander beabstandet sind, und derart, daß die Einspritzachsen von je­ dem Paar der Einspritzlöcher sich an einem Punkt außerhalb des Düsenkörpers schneiden, dadurch gekennzeichnet, daß die aus jedem Paar der Einspritzlöcher ausgestoßenen Brennstoffstrahlen unmittelbar nach Durchgang durch die Aus­ gänge der Einspritzlöcher miteinander kollidieren, derart, daß der Achsenkreuzungswinkel θ, der zwischen Einspritzachsen von jedem Paar der Einspritzlöcher gebildet ist, in einem Be­ reich von 30° ≦ θ ≦ 80° liegt.

2. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Achsenkreuzungswinkel θ, der durch die Einspritzachsen von jedem Paar der Einspritzlöcher gebildet ist, in einem Bereich von 40° ≦ θ ≦ 80° liegt.

3. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Achsenkreuzungswinkel θ, der durch die Einspritzachsen von jedem Paar der Einspritzlöcher gebildet ist, auf 60° eingestellt ist.

4. Brennstoffeinspritzdüse, die einen Einspritzdüsenkör­ per aufweist, der einen distalen Endabschnitt besitzt, in welchem eine Vielzahl von Paaren von Einspritzlöchern ausge­ bildet sind, derart, daß jedes Paar der Einspritzlöcher in einer axialen Richtung des Einspritzdüsenkörpers voneinander beabstandet sind, und derart, daß die Einspritzachsen von je­ dem Paar der Einspritzlöcher sich an einem Punkt außerhalb des Düsenkörpers einander schneiden, dadurch gekennzeichnet, daß die aus jedem Paar der Einspritzlöcher ausgestoßenen Brennstoffstrahlen unmittelbar nach Durchgang durch die Aus­ gänge der Einspritzlöcher miteinander kollidieren und zwar während einer Zeitperiode zwischen einer Anfangsperiode eines Ansaughubes eines Kolbens einer Maschine und einer Zwischen­ periode eines Kompressionshubes des Kolbens, in solcher Wei­ se, daß der Achsenkreuzungswinkel θ, der durch die Einspritz­ achsen von jeden Paar der Einspritzlöcher gebildet ist, in einen Bereich von 30° ≦ θ ≦ 80° liegt.

5. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in einem mittleren Abschnitt des Kolbens ein Hohlraum ausgebildet ist, welcher Hohlraum eine Größe be­ sitzt, die ausreichend groß ist, um einen Brennstoff-Sprüh­ nebel aufzunehmen, der aus der Kollision der Brennstoffstrah­ len resultiert, die aus jedem Paar der Einspritzlöcher ausge­ stoßen werden.

6. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Achsenkreuzungswinkel θ, der durch die Einspritzachsen von jedem Paar der Einspritzlöcher gebildet ist, in einen Bereich von 40°≦ θ ≦ 80° liegt.

7. Brennstoffeinspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Achsenkreuzungswinkel θ, der durch die Einspritzachsen von jeden Paar der Einspritzlöcher gebildet ist, auf 60° eingestellt ist.