WO2007065286A1

WO2007065286A1 - Verfahren zum einbringen und vermischen eines fluids sowie injektor für eine wärmekraftmaschine

Info

Publication number: WO2007065286A1
Application number: PCT/CH2006/000683
Authority: WO
Inventors: Kurt Ruess
Original assignee: Kurt Ruess
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2007-06-14
Also published as: DE202006018493U1

Abstract

Das Verfahren, beziehungsweise der Injektor bringt Kraftstoff mittels gesteuerter Formänderung des Düsenkörpers durch schlitzförmige Öffnungen in den Brennraum (28) ein. Die Verformung des Düsenkörper wird durch innere Materialeffekte erzeugt, wie beispielsweise durch den inversen piezo-elektrischen Effekt, oder durch Süssere mechanische Spannungen, wie beispielsweise eine Biegespannung. Diese wird durch einen piezo-elektrischen, ringförmigen Aktuator (13) übertragen. Der Aktuator wird durch das umströmende Kühlmedium (16), (18) und (20) gekühlt. Der unter Hochdruck stehende Fluidspeicher (32) ist direkt mit den Düsen verbunden und torusförmig um den Brennraum positioniert. Während der Kompression kann Kraftstoff in die, hinter der statischen Wirbelkante (26) entstehende, primäre Turbulenz der Verbrennungsluft eingespritzt werden. Der weiter hochfahrende Kolben erzeugt eine Quetschströmung (29) und somit eine sekundäre Turbulenz (28) in dem, durch den Kolben begrenzten, torusförmigen Brennraum. In diese intensive Verwirbelung wird ein schmaler Kraftstoff film eingespritzt.

Description

Verfahren zum Einbringen und Vermischen eines Fluids sowie Injektor für eine

Wärmekraftmaschine

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen und Vermischen eines Fluids in den Brennraum einer Wärmekraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mittels einer oder mehrerer gesteuerten / geregelten Einspritzdüsen, ferner einen Injektor für eine Wärmekraftmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mittels einer oder mehrerer gesteuerter Einspritzdüsen.

Stand der Technik

Bekannte Injektoren für Verbrennungsmotoren spritzen Kraftstoff durch eine Mehrlochdüse in den Brennraum (Fig 1). Die Verbrennungsvorgänge setzen sich als Flammenfront fort und der grösste Anteil des Kraftstoffs verbrennt als Diffusionsflamme. Der lokale Sauerstoffmangel im heterogenen Luft/ Kraftstoff-Gemisch, nicht verdampfende Kraftstofftropfen oder nicht verdampfender Kraftstoff an der Wand des Brennraums führen zu unvollständiger Verbrennung, resultierend in unverbrannten und teil verbrannten Kohlenwasserstoffen wie Kohlenmonoxid, energiereichen Produkten wie Äthylen, Acetylen, Wasserstoff und Folgeprodukten wie Russ und Partikel (Fig. 2). Die starken Temperaturgradienten an der Flammenfront sind verantwortlich für die exponentielle Zunahme der Stickoxide in diesem Bereich und für erhöhte Lärmemissionen. Verbleibender Kraftstoff zwischen Düsennadel und Sackloch verdunstet nach der Einspritzung und erhöht die Kohlenwasserstoff- und Kohlendioxidemissionen. Dank Beeinflussung der Verbrennungsdauer, Positionierung der Einspritzung, Ladeluftkühlung, Drall der Verbrennungsluft, variabler Turbinengeometrie, Erhöhung des Einspritzdrucks und Abgasrückführung konnten die Schadstoff- Rohemissionen stark reduziert werden (Fig. 3: Referenz, variabler Kraftstoffdruck). Einige Firmen, zum Beispiel Mercedes-Benz und Iveco führen die innermotorische Verbrennung partikel- und verbrauchsoptimiert. Die daraus folgenden, hohen Stickoxidraten werden aussermotorisch reduziert. Mit der SCR-Abgasbehandlung (Seleciv Catalytic Reduction) erfüllen die Motoren Euro 4 . MAN und Scania führen die Verbrennung mit Abgasrückführung Stickoxid-optimiert, dank Partikelfilter erfüllen auch diese Motoren die aktuellen Normen. Mit den bekannten Injektoren braucht es wohl zur Erfüllung künftiger Normen grosserer Motoren die Vorteile beider Wege: SCR-Abgasnachbehandlung und Dieselpartikelfilter. Figure 4 vergleicht die typischen Tropfendurchmesser verschiedener Medien. Verbrennungsvorgänge vollziehen sich im Millisekundenbereich. Ein Tropfen Butanol von 20 Mikrometer Durchmesser benötigt 150 Millisekunden zur vollständigen Verdampfung (Fig. 5). Dieses Beispiel zeigt, dass ein kleiner mittlerer Tropfendurchmesser des direkt eingespritzten Kraftstoffs, sowie deren schnelle, möglichst homogene Verteilung im Brennraum, von entscheidender Bedeutung ist für eine Verbrennung mit tiefen Rohemissionen. Eine vollvariable, langzeitstabile Formung des Einspritzverlaufs ist mit den bekannten Injektoren nur beschränkt möglich, Dosierung und Verteilung im Brennraum sind, trotz Drall der Verbrennungsluft, ungenügend, vor allem im Teillastbereich und für Hubvolumen kleiner als 250 Kubikzentimeter. Der Kraftstoffspray ist mit einem mittleren Tropfendurchmesser von 8 Mikrometer zu grob. Viele der grosseren Tropfen verdampfen nicht vollständig und verbrennen unvollständig in der kurzen, zur Verfügung stehenden Zeit im Millisekundenbereich, was die Schadstoffrohemissionen erhöht. Bekannte Injektoren emittieren Lärm auch aus externen mechanischen Quellen wie zum Beispiel Antrieb einer Pumpe-Düse-Einheit oder Hochdruckpumpe eines Common-Rail Systems.

Der neuen Erfindung wurde die Aufgabe zugrunde gelegt, die Verbrennung zu verbessern und die Schadstoffrohemissionen zu reduzieren.

Darstellung der Erfindung

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung und Zerstäubung durch die Steuerung der geometrischen Form von Teilen des Düsenmaterials die Düsenkanalwand und dadurch den Düsenspalt verändert und die Brennstoffverteilung in dem Brennraum optimiert wird.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer elektronischen Steuerung die geometrische Form von Teilen des Düsenmaterials verformt und dadurch der Einspritzdüsenquerschnitt steuerbar ist. Vom Erfinder ist erkannt worden, dass viele Optimierungsbestrebungen sich im Rahmen der Prinzipdarstellung gemäss Figur 3 bewegten. Je nach gewählten Lösungen konnte entweder der NOx-Ausstoss oder der Partikel-Ausstoss reduziert werden. Eine weitere Verbesserung, eine Verschiebung des so genannten trade-off in Richtung Euro 5 - Fenster und in noch kleinere, zukünftige Grenzwerte, ist nur mit der Verbesserung der Verbrennung möglich. Die bisherigen Lösungen basierten auf Mehrlochdüsen mit Lochdurchmesser grösser als 80 Mikrometer und somit mit punktueller, durchmesserstarken Einbringung des Kraftstoffs. Eine homogene Verteilung von Kraftstofftropfen kleiner als 5 Mikrometer, sowie deren innige Vermischung mit der Verbrennungsluft konnte nicht innert kürzester Zeit, im Millisekundenbereich, erreicht werden, trotz hohem Strahlimpuls des Kraftstoffs, Drallgebung der Verbrennungsluft und Verwirbelung in der Brennraummulde. Eine langzeitstabile, wirklich vollvariable Formung des Einspritzverlaufs konnte nicht realisiert werden wegen:

• Abrasionsproblemen in Düsennadel- und Sitzlochführung

• des Feder-Masse-Systems von Düsennadel und deren Aktivierung

• Druckverlusten zwischen weit entferntem Common-Rail-Speicher und Einspritzdüse.

Die Schadstoffrohemissionen wurden erhöht durch den nicht eingespritzten, im Sackloch verbleibenden Kraftstoff, welcher, durch die hohen Verbrennungstemperaturen, nach dem Arbeitstakt ungenutzt aus dem Injektor verdampft. Aus den erwähnten Gründen sind einer weiteren Optimierung der Verbrennung Grenzen gesetzt.

Die neue Lösung schlägt vor, Teile des Düsenmaterials selber geometrisch zu verformen, um dadurch das Einbringen einer Einspritzmenge zu steuern. Wie in der Folge dargestellt, gibt es mehrere Effekte, wie beispielsweise den inversen Piezoeffekt, welche das Material verformen. Diese Tatsache hat zwei ganz entscheidende Wirkungen:

• Die Deformation ist schnell wie die elektrische Ladungsverschiebung, sie erfolgt innert Mikrosekunden.

• Die Dehnung oder Stauchung moderner piezoelektrischer Kompositionen beträgt ungefähr ein Promille, das heisst, einige Millimeter Düsenmaterial genügen, um einen Düsenspalt von einigen Mikrometern zu bilden. Die neue Erfindung nutzt diese Tatsache, indem beispielsweise ein gesteuerter „Dickenwechsel" den Auslass des Düsenkanals öffnet oder schliesst. Die neue Erfindung eröffnet dabei völlig neue Konzepte für das Einspritzen des Fluids. Es können durch mikrosystemtechnische Fertigungsmethoden, durch so genannte Strukturierung beliebig viele Düsenkanäle in optimaler Ausrichtung zum Brennraum vorgesehen werden. Dies gestattet, eine bis heute nicht mögliche Einbringung und Verteilung des Kraftstoffs zu erreichen, mit der Folge:

• die Verbrennung zu optimieren,

• die Schadstoffrohemissionen zu reduzieren.

Die Einspritzkanäle können in jeder Richtung optimal ausgestaltet und angeordnet werden.

Die Erfindung erlaubt eine ganze Anzahl besonders vorteilhafter Ausgestaltungen. Dafür wird auf die Ansprüche 1 bis 17 sowie 18 bis 24 Bezug genommen.

Gemäss einem ersten Ausgestaltungsweg wird der Düsenkanal-Querschnitts von wenigstens einer Dichtfläche von zwei Düsenplatten verformt. Die Kanallänge liegt im Bereich von einigen Millimetern, das Fluid kann radial und / oder tangential in den Brennraum eingespritzt werden. Besonders bevorzugt wird eine Vielzahl von Düsen zwischen zwei ringförmig, um den Brennraum angeordneten Düsenplatten vorgeschlagen. Der Kraftstoff wird als flächiger Film, quer zur sekundären Wirbelströmung (28) in den Brennraum eingebracht. Durch diese Massnahme ist die Voraussetzung einer sehr guten Gemischbildung gegeben. Das Fluid kann aus Bestandteilen von Flüssigkeit und / oder Gasen und / oder Partikeln bestehen. Es wird vorgeschlagen, dass die Aenderung der geometrischen Form des Düsenmaterials durch einen oder mehrere der folgenden Effekte realisiert wird: inverser Piezoeffekt, Elektrostriction, Magnetostriction, thermischer Effekt. Diese Materialien bieten die Möglichkeit der„Dickenänderung" durch Ausrichtung oder Dehnung von entsprechenden Materialteilen. Gemäss einem zweiten Ausgestaltungsweg wird die Aenderung der geometrischen Form des Düsenmaterials durch eine mechanische Spannungen realisiert, insbesondere durch eine oder Kombinationen von Zug-, Druck-, Biege-, Verdreh- und Schubspannungen. Hier wird die Aenderung der geometrischen Form des Düsenmaterials durch einen oder mehrere Aktuatoren ausgelöst. Diese Lösung bietet den Vorteil, dass die Teile, die mit Kraftstoff und den Verbrennungsgasen in Berührung kommen, aus den bisher bei Einspritzdüsen bekannten Materialien gebaut werden können. Die neue Lösung ist in einem weiten Bereich frei in der Gestaltung der Düse, beispielsweise in der Gestaltung von schlitzförmigen Öffnungen welche direkt in den Brennraum münden. Ein weiterer vorteilhafter Ausgestaltungsweg liegt darin, dass die Aenderung der geometrischen Form des Düsenmaterials die Fluidströmung an einer oder an mehreren Positionen in der Einspritzdüse beeinflusst und dadurch eine Förder- oder Stoppwirkung erzeugt wird. Das den Einspritzkanal umgebende Material kann in mehrere eigenständig gesteuerte Abschnitte unterteilt werden, sodass über die Länge des Einspritzkanals auf die Strömung Einfluss genommen werden kann. Es muss nicht zwingend nur eine Auf- / ZuFunktion erzielt werden. Es kann vielmehr analog einer Schlauchpumpe die Förderung des Fluids beeinflusst und beispielsweise der Druck des Fluids, zum Beispiel von 300 auf 600 bar erhöht werden. Damit kommt die neue Lösung weg von den Lösungen des Standes der Technik, welche die Düsenströmung vorwiegend über den Druck steuern und beispielsweise Drücke von 2000 bar und mehr vorsehen. Mit der neuen Lösung können mittels der partiellen, sektorweisen oder vollumfänglichen Beeinflussung des verformbaren Materials auch Schwingungen auf das Fluid übertragen werden.

Ein weiterer vorteilhafter Ausgestaltungsgedanke liegt darin, dass alle Düsen direkt mit einem internen Fluidspeicher oder einer Ringleitung verbunden sind. Dabei können die Einspritzdüsen mit Unterstützung des hydraulischen Drucks im internen Fluidspeicher geschlossen werden (Fig. 13). Bevorzugt erfolgt die Aenderung der geometrischen Form des Düsenquerschnitts mittels einer elektronischen Steuerung. Vorteilhafterweise können die Einspritzdüsen durch eine Fluidzirkulation gekühlt werden. Gemäss einem weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsweg münden die Düsen in einen Brennraum, welcher als torusförmige Wirbelkammer ausgebildet ist, und Fluid und Verbrennungsluft in einer torusförmigen Wirbelwalze innig vermischen. Mit der elektronischen Steuerung bzw. der entsprechenden Programmierung kann der Einspritzvorgang in Abhängigkeit der Motordrehzahl und des erforderlichen Motordrehmomentes geregelt werden, indem zum Beispiel die Einspritzöffnungen und / oder die Zeitdauer variiert werden, oder es kann, wie erwähnt, die Strömung im Düsenkanal auf die fördernde oder steuernde Wirkung beeinflusst werden, um beispielsweise eine Einspritzmengenerhöhung oder Reduktion zu erreichen.

Für die vorteilhaften vorrichtungsgemässen Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 18 bis 24 Bezug genommen. Der Injektor gemäss der neuen Lösung spritzt, zum Beispiel in einem Dieselmotor, Dieselkraftstoff als Fluid durch viele Düsen, in Form von lang gezogenen, schmalen Öffnungen in den Brennraum. Der Kraftstofffilm einer einzelnen Düse besitzt eine viel grossere Oberfläche als ein im Querschnitt vergleichbarer, runder Kraftstoffstrahl einer bekannten Lochdüse, sodass ein homogeneres Luft/Kraftstoff-Gemisch resultiert. Zudem wird die Spraybildung durch Regulierung von Kraftstofffilmdicke und Strömung, sowie dessen Modulation gefördert, womit der Kraftstoff besser verteilt, feiner zerstäubt, schneller verdampft und vollständiger oxidiert wird. Ein interner Fluidspeicher, welcher direkt mit den Düsen verbunden ist, verbessert Präzision und Flexibilität bezüglich Mehrfacheinspritzung, Einspritzverlaufsformung, Einspritzdauer und Spraybildung zur Optimierung der innermotorischen Verbrennung und Reduktion der Verbrennungsgeräusche. Damit können viele exotherme Kraftstoff/Luft-Einheiten zum gewünschten Zeitpunkt generiert werden. Der leicht zugängliche Sauerstoff verbessert die Oxidation, resultierend in tieferen Kohlenwasserstoff-, Russ- und Partikelemissionen und höheren thermischen Wirkungsgrad. Flachere Temperaturgradienten begünstigen die Senkung von Stickoxiden und Verbrennungsgeräuschemissionen. Die Düsen schliessen ohne systembedingte Restvolumina, womit die unverbrannten Kohlenwasserstoffemissionen und der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden. Kraftstoffe mit Additiven, sowie Kraftstoff-Wasser-Emulsionen können mit den erwähnten Vorteilen gemeinsam oder separat durch mehrere Injektoren eingebracht werden. Der Injektor gemäss Anspruch 1 wird mit bedeutend tieferen Einspritzdrücken als heute üblich betrieben, womit eine Lärmquelle eliminiert und der Kraftstoffverbrauch weiter gesenkt wird.

Die neue Lösung ergibt eine grosse Anzahl Vorteile:

• Kraftstofffilm-Injektion, das heisst ein sehr flächer, nicht kreisrunder Einspritzstrahl, für eine schnelle Verdampfung des Kraftstoffs,

• Kraftstoff-Einbringung am Umfang des Brennraums für eine schnelle Verteilung,

• Modulation des Kraftstofffilms in der Düse, am Umfang des Brennraums, für eine Erhöhung der Instabilität des Films und somit Beschleunigung der Spraybildung,

• Mittlerer Tropfendurchmesser kleiner als 5 Mikrometer,

• Vollvariable, uneingeschränkte Formung des Einspritzverlaufs für Standard- Verbrennung mit Vor- und Nacheinspritzungen, homogene Kompressionszündung (Homogeneous Charge Compression Ignition), aufgeteilte und rampenmodulierte Einspritzung (split injection, rate shaping), • Variable Düsengeometrie zur Regulation der Kraftstofffilmdicke im Sub- Mikrometerbereich für höchste Dosiergenauigkeit, auch für Kleinstmengen,

• Geringe Eindringtiefe des Kraftstofffilms und somit keine direkte Benetzung der

Brennraumwand mit Kraftstoff für eine Reduktion der Wandwärmeverluste und Schadstoffemissionen,

• Starre Wirbelkante, am Umfang des Brennraums positioniert, zur Wirbelerzeugung während der Kompression, für eine gute Vermischung des Kraftstoffs mit Sauerstoff, geeignet für das HCCI-Brennverfahren, besonders im Teillastbereich,

• Quetschströmung, von der Kolbenachse ausgehende Verdrängung der

Verbrennungsluft in den Brennraum-Torus, für eine zusätzliche, innigste

Vermischung bis zum höchsten Kolbenstand,

• Kraftstoffdruck kleiner als 600 bar für eine Reduktion der Lärmemissionen und

Antriebsenergie der Hochdruckpumpe,

• Kein systembedingter Kraftstoffrest nach der Einspritzung, Injektor ohne Sacklochvolumen für eine Reduktion der HC- und CO2-Emissionen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Anhand der beiliegenden schematischen Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise erläutert. Die Figuren 1 - 5 zeigen den Stand der Technik, die übrigen Figuren die neue Erfindung:

Fig. 1 bekannte Injektoren für Verbrennungsmotoren (Bilder Siemens VDO, ETH Zürich), Fig. 2 wichtige Verbrennungsereignisse eines heterogenen Luft/Dieselkraftstoff-Gemisches, Fig. 3 gegenseitige Abhängigkeit von Partikel und Stickoxide (trade-off) eines Dieselmotors, Fig. 4 Tropendurchmesser verschiedener Medien (Bild TU München),

Fig. 5 Verdampfungsverlauf Butanol, Tropfendurchmesser 20 Mikrometer (Bild ETH Zürich), Fig. 6 eine Ansicht eines erfindungsgemässen Injektors,

Fig. 7 eine Ansicht nach Fig. 6 von oben,

Fig. 8 eine Ansicht nach Fig. 7 von der Seite,

Fig. 9 einen Vertikalschnitt nach Fig. 7 mit Ansicht des internen Fluidspeichers,

Fig. 10 einen Horizontalschnitt nach Fig. 6 mit Sicht auf die Düsendichtflächen,

Fig. 11 einen Vertikalschnitt nach Fig. 12 mit Ansicht interner Elektroden,

Fig. 12 einen Horizontalschnitt nach Fig. 11 mit Sicht auf 48 Düsen,

Fig. 13 einen Ausschnitt von Fig. 11 mit Ansicht der 6 internen Elektrodenpakete einer Düse, Fig. 14 einen Ausschnitt von Fig. 12 mit Sicht auf 6 interne Elektroden von 2 Düsen, Fig. 15 eine Ansicht aus dem Brennraum nach Fig. 13 mit 3 geöffneten Düsen,

Fig. 16 eine Ansicht aus dem Brennraum nach Fig. 13 mit 3 geschlossenen Düsen,

Fig. 17 einen Vertikalschnitt nach Fig. 18 mit Ansicht der elektrischen Anschlussleitungen für

4 innere Elektrodenpakete,

Fig. 18 einen Ausschnitt von Fig. 12 mit Sicht auf 9 interne Elektroden und die elektrischen

Verbindungen und Anschlüsse für 3 innere Elektrodenpakete,

Fig. 19 eine Ansicht nach Fig. 18 mit den externen Elektroden für den Stromanschluss der inneren Elektrodenpakete,

Fig. 20 einen Vertikalschnitt nach Fig. 18 mit Ansicht von 6 inneren Elektrodenpaketen, Fig. 21 ein Detail aus Fig. 20 mit Ansicht der horizontalen Verbindungsleitungen zwischen den internen Elektroden und der vertikale Stromversorgung,

Fig. 22 einen Vertikalschnitt nach Fig. 23 mit Ansicht der elektrischen Anschlussleitungen für

4 mittlere Elektrodenpakete,

Fig. 23 einen Ausschnitt von Fig. 12 mit Sicht auf 15 interne Elektroden und die elektrischen

Verbindungen und Anschlüsse für 5 mittlere Elektrodenpakete,

Fig. 24 einen Vertikalschnitt nach Fig. 25 mit Ansicht der elektrischen Anschlussleitungen für

4 äussere Elektrodenpakete,

Fig. 25 einen Ausschnitt von Fig. 12 mit Sicht auf 9 interne Elektroden und die elektrischen

Verbindungen und Anschlüsse für 3 äussere Elektrodenpakete,

Fig. 26 einen Ausschnitt von Fig. 12 mit Überblick der horizontalen Anschlussleitungen, Fig. 27 eine Ansicht nach Fig. 26 mit allen externen Elektroden für die getrennte

Ansteuerung der inneren, mittleren und äusseren Elektrodenpakete,

Fig. 28 einen Überblick der internen Elektroden und deren horizontalen Anschlussleitungen, Fig. 29 einen Überblick der vertikalen elektrischen Anschlussleitungen,

Fig. 30a das Öffnen einer Düse für einen Einspritzvorgang,

Fig. 30b eine Seitenansicht von Fig. 30a,

Fig. 30c das Einströmen des Fluids in die Düse,

Fig. 3Od eine Einspritzung bei geöffneter Düse,

Fig. 3Oe das Ausströmen einer sich schliessenden Düse,

Fig. 3Of das Ausstossen des Fluids,

Fig. 30g das Schliessen der Düse und Ende eines Einspritzvorgangs,

Fig. 31a eine Modulation der Fluidströmung mittels überlagerter Pulswelle,

Fig. 31b eine überlagerte Pulswelle, Deaktivierung der mittleren Elektrodenpakete,

Fig. 31c eine überlagerte Pulswelle, Ende einer Schwingungsperiode,

Fig. 32a das Öffnen einer Düse für einen Einspritzvorgang mit Druckerhöhung, Fig. 32b das Einströmen des Fulids für einen Einspritzvorgang mit Druckerhöhung,

Fig. 32c die Druckerhöhung durch Deaktivierung der äusseren Elektrodenpakete,

Fig. 32d den Beginn der Einspritzung nach der Druckerhöhung,

Fig. 32e die Einspritzung nach der Druckerhöhung,

Fig. 32f das Schliessen der Düse und Ende einer Einspritzung mit Druckerhöhung,

Fig. 33a eine Modulation der Fluidströmung mittels Anregung des Düsenmaterial,

Fig. 33b eine Anregung des Düsenmaterials, Aktivierung der mittleren Elektrodenpakete,

Fig. 33c eine Anregung des Düsenmaterials, Ende einer Schwingungsperiode,

Fig. 34 eine strukturierte Keramikschicht mit Versorgungsleitung und Verbindungen,

Fig. 35 eine Injektorhälfte, den sogenannten white body nach dem Aus- und Vorbrennen,

Fig. 36 die Weissbearbeitung des internen Fluidspeichers und Fluidanschlusses,

Fig. 37 eine Aufsicht einer gesinterten Injektorhälfte mit den Düsendicht- und Bondflächen,

Fig. 38 eine Seitenansicht der Injektorhälfte nach Fig. 37,

Fig. 39 das Keramik-Keramik Diffusions-Bonden,

Fig. 40 die Hartbearbeitung des Anschlusskonus,

Fig. 41 die Montage der Gewindebüchse,

Fig. 42 die Aktivlötung der Gewindebüchse,

Fig. 43 die Metallisierung der externen Elektroden für Polarisation und Betrieb,

Fig. 44 einen Vertikalschnitt eines Injektors für einen Diesel 4-Takt-Motor

(Kolben und Ventile nicht geschnitten dargestellt),

Fig. 45 einen Vertikalschnitt eines Injektors nach Fig. 44 mit Verschraubung,

Fig. 46 einen Vertikalschnitt durch den hydraulischen Anschluss des Fluidspeichers, Fig. 47 eine Aufsicht des Injektors mit Detailansicht P,

Fig. 48 einen Vertikalschnitt durch den hydraulischen Ansehluss des Aktuator-Kühlkreises, Fig. 49 einen Horizontalschnitt durch die Anschlüsse von Fluidspeicher und Aktuator-

Kühlkreis,

Fig. 50 einen Vertikalschnitt durch die hydraulischen Anschlüsse der Fluidspeicherkühlung, Fig. 51 einen Horizontalschnitt durch die hydraulischen Anschlüsse der Fluispeicherkühlung, Fig. 52 eine Anordnung von 2 Zylindern,

Fig. 53 einen Vertikalschnitt mit Kolbenstand 30° Kurbelwinkel vor oberen Totpunkt, Fig. 54 einen Vertikalschnitt mit Kolbenstand 15° Kurbelwinkel vor oberen Totpunkt, Fig. 55 einen Vertikalschnitt mit Kolbenstand am oberen Totpunkt,

Fig. 56 einen Vertikalschnitt eines Injektors für einen Diesel 2-Takt-Motor mit Längsspülung, Fig. 57 einen Ausschnitt von Fig. 56 mit schematischer Darstellung der Verwirbelung, Fig. 58 eine Injektorvariante mit Abdichtung zwischen Düse und Ventilsitz, Fig. 59 eine Injektorvariante mit torusförmigen Primärbrennraum um den Kolben positioniert, Fig. 60 einen Vertikalausschnitt einer Düse mit unterschiedlich trägen Düsenkörpern, Fig. 61 eine Aufsicht einer Aktuator-Ringscheibe mit getrennten Elektrodenpaketen, Fig. 62 eine Aufsicht einer Aktuator-Ringscheibe mit zusammenhängenden

Elektrodenpaketen,

Fig. 63 eine Aufsicht einer Aktuator-Ringscheibe mit einem Elektrodenpaket,

Fig. 64 eine Aufsicht einer Aktuator-Ringscheibe mit zwei Elektrodenpaketen,

Fig. 65 einen Vertikalausschnitt einer Düse mit kontrahierender Aktuator-Ringscheibe, Fig. 66 einen Vertikalausschnitt mit beidseitig kontrahierender Düse,

Fig. 67 einen Vertikalausschnitt mit kontrahierender und ausdehnender Ringscheibe, Fig. 68 einen Vertikalausschnitt einer Düse mit ausdehnender Aktuator-Ringscheibe, Fig. 69 einen Vertikalausschnitt einer Düse mit vibrierender Aktuator-Ringscheibe,

Fig. 70 einen Vertikalausschnitt einer an den Brennraum angepassten Düse,

Fig. 71 einen Vertikalausschnitt nach Fig. 70 mit angepassten Elektrodenpaketen,

Fig. 72 einen Vertikalausschnitt nach Fig. 71 mit interner Kühlung des Düsenmaterials.

Gleiche Bezugszeichen bedeuten in allen Figuren gleiche Einzelheiten. Es bedeuten:

1 Fluidanschluss,

2 interner Fluidspeicher,

3 Düsendichtflächen,

4 Elektrodenpaket Unterlippe Innen,

5 Elektrodenpaket Unterlippe Mitte,

6 Elektrodenpaket Unterlippe Aussen,

7 Elektrodenpaket Oberlippe Innen,

8 Elektrodenpaket Oberlippe Mitte,

9 Elektrodenpaket Oberlippe Aussen,

10 Unterlippe einer Düse,

11 Oberlippe einer Düse,

12 lang gezogene, schmale Öffnung einer Düse,

13 ringförmiger Aktuator,

14 Fluidanschluss mit Stabfilter,

15 Eingang Kühlkreis Aktuator,

16 äusserer Kühlkanal Aktuator,

17 Verbindung äusserer und innerer Kühlkanal, 18 innerer Kühlkanal Aktuator,

19 Verbindung innerer Kühlkanal und Ventilsitzkanal,

20 Ventilsitzkanal,

21 Sammelkanal,

22 Ausgang Kühlkreis Aktuator,

23 Vorlauf Kühlkreis Fluidspeicher,

24 Kühlkreis Fluidspeicher,

25 Rücklauf Kühlkreis Fluidspeicher,

26 Wirbelkante,

27 primäre Verwirbelung (schematische Darstellung),

28 sekundäre Verwirbelung (schematische Darstellung),

29 Quetschströmung (schematische Darstellung),

30 Abdichtung zwischen Injektor und Ventilsitz,

31 torusförmiger Primärbrennraum,

32 torusförmiger Fluidspeicher,

33 Düsenkörper mit hoher Eigenfrequenz,

34 Düsenkörper mit tiefer Eigenfrequenz,

35 Aktuator-Ringscheibe (schematische Darstellung),

36 Elektrodenpaket oder Aktuator einer Aktuator-Ringscheibe,

37 zusammenhängendes Elektrodenpaket oder Aktuator einer Aktuator-Ringscheibe,

38 interne Kühlung der Düse.

Wege und Ausführung der Erfindung

Ein erfindungsgemässer Injektor nach den Figuren 6 bis 29 besteht aus Funktionskeramik, zum Beispiel einem piezo-elektrischen Werkstoff auf der Basis von modifiziertem Blei- Zirkonat-Titanat. Er wird zum Beispiel in einen Dieselmotor zwischen Zylinderkopf und Motorblock eingespannt und über den Fluidanschluss (1) und die externen Elektroden (Fig. 27) mit Kraftstoff und Strom versorgt. Hochdruckpumpe und Regeleinheit sorgen wie bei bekannten Common-Rail-Motoren für den gewünschten Kraftstoffdruck im internen Fluidspeicher (2). Der variable Betriebsdruck ist kleiner als 600 bar. Durch 48 elektrisch ansteuerbare Düsen strömt der Kraftstoff dosiert in den Brennraum. Eine Düse besteht aus einer so genannten Düsenunter- und Düsenoberlippe (10), (11), im folgenden Unter- und Oberlippe oder zusammengefasst Lippen genannt, welche über den internen Fluidspeicher miteinander verbunden und in geschlossenem Zustand mit planen Düsendichtflächen (3) aufeinander stossen. Die Kräfte der mechanischen Spannung aus Vorspannung, Einspannung und des hydraulischen Drucks im internen Fluidspeicher pressen die Lippen aufeinander, schliessen und dichten die Düsen. In die Unter- und Oberlippen sind Elektrodenpakete integriert, welche die piezo-elektrischen Zwischenschichten und somit das Düsenmaterial partiell zusammenziehen oder dehnen und dadurch, zwischen Unter- und Oberlippen lang gezogene, schmale Öffnungen (12) von bis zu 5 Mikrometer Höhe formen können. Alle Unter- und Oberlippen bilden zusammen zwei plane, aufeinander liegende Düsendichtf lachen (3), welche sich durch Ansteuerung der Elektrodenpakete verformen und Kraftstoff durchströmen lassen. Die Elektrodenpakete sind elektrisch in 3 Gruppen zusammengefasst und werden als Gruppe angesteuert, alle inneren, dem Brennraum nahe liegenden Elektrodenpakete der Unter- und Oberlippen (4), (7) sowie die mittleren (5), (8) und die äusseren (6), (9). Eine regulierbare schmale Öffnung ist bei maximal geöffneter Düse um den Faktor 20 kleiner als der Bohrungsdurchmesser einer kleinsten bekannten Lochdüsen, trotzdem besitzt der Kraftstofffilm einer einzelnen Düse, eine um denselben Faktor grossere Oberfläche. Er wird ab einer Einspritzgeschwindigkeit von 4 m/s instabil und zerstäubt in Kraftstofftröpfchen. Für einen Einspritzvorgang können die Elektrodenpakete nacheinander, Fig. 30a bis Fig. 30g, mehrere gleichzeitig und einzeln bestromt werden. Für eine getaktete Einspritzsequenz werden mehrere Einspritzvorgänge aneinander gereiht. Die Einspritzmenge kann dank Messung des Kompressionsdrucks und Temperatur für jeden Zylinder genau berechnet und der Luftmasse entsprechend dosiert werden, mit einer Auflösung kleiner als 5 Nanometer und einer Anstiegszeit von 10 Mikrosekunden. Dadurch kann der Kraftstoffströmung, analog der Blutströmung in Arterien, eine Pulswelle Fig. 31a bis Fig. 31c überlagert werden, um die Druckverluste in der Düse zu reduzieren. Die Pulswellengeschwindigkeit ist um den Faktor acht bis zehn höher als die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstofffilms. Nach dem Einströmen Fig. 32b kann eine Deaktivierung der äusseren Elektrodenpakete den Druck in den Düsen erhöhen Fig. 32c oder zumindest die Druckverluste vermindern. Modulation des Kraftstofffilms dient der Spraybildung und kann durch abwechselnde, rhythmische Ansteuerung der Elektrodenpakete nach Fig. 33a bis Fig. 33c, aber auch in anderen Kombinationen oder durch Einzelansteuerung das Düsenmaterial zu Schwingungen anregen. Diese werden auf den Kraftstofffilm übertragen, setzen sich entlang seiner Oberfläche als Welle fort und vermindern seine Stabilität im Brennraum. Modulation des Kraftstofffilms kann auch zum Schutz der Mechanik und zur Bekämpfung der Lärmemissionen eingesetzt werden, indem sie auf Verbrennungsinstabilitäten und Verbrennungsgeräusche reagiert. Dazu bilden Schalldruck- oder Wärmeabgabesignale aus dem Brennraum die Interferenzbasis zur Ansteuerung der Elektrodenpakete. Eine weitere Betriebsmöglichkeit besteht darin, das Düsenmaterial mit allen Elektrodenpaketen anzuregen, um, analog Chladnischen Klangfiguren, an den Stellen verschwindender Auslenkamplituden, den Schwingungsknoten, den Kraftstoff bevorzugt freizugeben. Eine weitere Variante des erfindungsgemässen Injektors wird in den Figuren 44 bis 57 dargestellt. Der Injektor besteht zum Beispiel aus einem Stahlwerkstoff C45E und einem integrierten ringförmigen, piezo-elektrischen Aktuator (13). Er wird in einen Dieselmotor zwischen Zylinderkopf und Motorblock eingespannt und über den Fluidanschluss (14) mit Kraftstoff versorgt. Stromkabel für den Aktuator (13) werden durch einen der beiden Eingänge des Kühlkreises (15) geführt. Das Kühlmittel strömt am Umfang des Aktuators (16), überströmt in den 4 äusseren Übergängen (17) in den inneren Kühlkanal (18), strömt der Innenseite des Aktuators entlang in die Ventilsitzkanäle (19), (20) und wird über den Sammelkanal (21) zum Ausgang (22) geführt. Der Fluidspeicher wird gekühlt durch den äusseren Kühlkanal (16) des Aktuators und den darunter liegenden Kühlkreis des Fluidspeichers (24) mit Vor- (23) und Rücklaufanschluss (25). Der Aktuator, bis 40 MPa vorgespannt, reguliert die mechanische Spannung im Düsenmaterial und somit den Anpressdruck der plan aufeinander stossenden Düsendichtflächen. Für eine Einspritzung wird der Anpressdruck gezielt verkleinert, bis sich die Düse öffnet und einen, nur wenige Mikrometer hohen Kraftstofffilm einspritzt. Für eine der Luftmasse entsprechende Dosierung werden die Düsen mit einer Auflösung im SubMikrometer angesprochen. Die schnelle und direkte Beeinflussung der mechanischen Spannung im Düsenmaterial ermöglicht eine variable Düsengeometrie für höchste Dosiergenauigkeit mit vollvariabler Formung des Einspritzverlaufs. Dank Anregung des Düsenmaterials durch den Aktuator kann eine Modulation des Kraftstofffilms realisiert werden, welche die Stabilität des eingebrachten Films verringert und die Spray-Bildung fördert. Die Eindringtiefe beträgt auch bei höchsten Einspritzdrücken von 600 bar nur wenige Millimeter. Eine starre Wirbelkante (26), um den Brennraum positioniert, sorgt für eine primäre Verwirbelung (27) im Kompressionstakt. Sobald der hoch fahrende Kolben die Wirbelkante passiert, beginnt eine von der Kolbenachse ausgehende Verdrängung der Verbrennungsluft, eine Quetschströmung (29), welche eine sekundäre Verwirbelung (28) im Brennraum erzeugt und den eingebrachten Kraftstoff mit der Verbrennungsluft intensiv mischt. Nach der Einspritzung schliesst die Düse ohne systembedingtes Restvolumen. Falls der ringförmige Aktuator (13) aus integrierten Elektroden-Paketen analog Figure 20 aufgebaut, oder aus mehreren, einzelnen Piezoaktuatoren zusammengesetzt ist, können diese das Düsenmaterial derart anregen, dass bei den Schwingunsgsknoten der Kraftstoff bevorzugt eingespritzt wird. Eine andere Ausführung (Fig. 58) trennt Injektor und Ventilsitze durch eine Dichtung (30) und eine weitere Variante (Fig. 59) positioniert den Brennraum um den Kolben. Der hoch fahrende Kolben sorgt dank Quetschströmung für eine intensive Verwirbelung im Brennraum (31), welcher durch den Kolben begrenzt und nach dem Überschreiten des Totpunkts wieder geöffnet wird. In einer weiteren Variante (Fig. 60) dehnt sich der untere Düsenkörper (33) aus. Der obere Düsenkörper (34) ist träger als der untere, dieser zieht sich schnell zurück und Kraftstoff wird eingespritzt bis der obere Düsenkörper wieder anliegt und abdichtet. Weitere Varianten des erfindungsgemässen Injektors werden in den Figuren 61 bis 72 schematisch dargestellt. Eine Aktuator-Ringscheibe (35), bestehend aus einem einzigen Elektrodenpaket (Fig. 62), einem (Fig. 63), zwei (Fig. 64) oder mehreren getrennten Elektrodenpaketen (36) oder Aktuatoren (Fig. 61), grenzt an einen oder beidseitig (Fig. 65) an je einen torusförmige Fluidspeicher (32). Die Aktuator-Ringscheibe zieht sich im Bereich der Düse zusammen und spritzt die Fluide in den Brennraum, wobei die Düsenöffnung auch beidseitig beeinflussbar ausgeführt werden kann (Fig. 66). Die Düsen können durch unterschiedliche Verformungen geöffnet werden: Kontraktion und Ausdehnung (Fig. 67), Ausdehnung (Fig. 68), Vibration (Fig. 69). Alle Verformungen können auch partiell, auf einer oder auf beiden Seiten einer Düse ausgeführt werden, realisiert durch mehrere, getrennte Elektrodenpakete oder aus einzelnen Aktuatoren zusammengesetzt. Die Verformungen können durch Zug-, Druck-, Biege-, Verdreh- und Schubspannungen erzeugt werden. Die Varianten nach den Figuren 70 bis 72 passen die Düsenform dem Brennraum an und die Variante nach Figure 72 ist, nebst der Kühlung durch das eingespritzte Fluid, mit einer zusätzlichen Kühlung (38) ausgestattet.

Ein erfindungsgemässer Injektor wird teilweise und einer nach den Figuren 6 bis 29 komplett in Multilayer-Technologie hergestellt. Mit mikrosystemtechnischen Technologien, vorzugsweise Sputtern, werden die circa 1 Mikrometer hohen, elektrisch leitenden Strukturen bestehend aus Kupfer/Nickel-Legierungen oder Edelmetallen wie Gold, auf die Keramikschicht gebracht. Diese werden unter Druck- und Temperatureinfluss zum sogenannten white body vorgebrannt. Der interne Fluidspeicher (2) wird durch mechanische Drehbearbeitung, Durchgang und Konus des Fluidanschlusses (1) werden durch Fräsen hergestellt. Nach der Sinterung werden Düsendicht- (3) und Bondfläche auf Rauheitswerte Ra < 0.2 Mikrometer geschliffen und poliert. Die Bondfläche der Injektorhälften werden nach der Plasmareinigung mit einer hauchdünnen Keramikglasur beschichtet und zusammen- gebondet. Die Prozessparameter Druck, Temperatur und Zeit bestimmen den lokalen Materialstress, Deformation und Schwund im Bondbereich, womit eine mechanische Vorspannung auf die Düsendichtflächen (3) eingestellt werden kann. Zum Schutz vor unerwünschten Kontaktreaktionen werden diese ganz oder teilweise mit einer glasphasen- freien Engobe beschichtet, oder das Düsenmaterial wird, nach vorgezogener Metallisierung und Polarisierung, während des Bondprozesses zu Schwingungen angeregt, sodass sich die Düsendichtflächen nicht verbinden. Vor der Metallisierung der externen Elektroden wird der Konus des Fluidanschlusses (1) - nach ISO-Normierung 2974 - geschliffen und die Gewindebüchse mittels einer Silber/Titan-Legierung auf den Anschlussbolzen gelötet. Metallisierung und Polarisation beenden den Herstellprozess.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Einbringen und Vermischen eines Fluids in den Brennraum einer Wärmekraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mittels einer oder mehrerer gesteuerten / geregelten Einspritzdüsen,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Einbringung und Zerstäubung durch die Steuerung der geometrischen Form von Teilen des Düsenmaterials die Düsenkanalwand und dadurch den Düsenspalt verändert und die Brennstoffverteilung in dem Brennraum optimiert wird.

2. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Aenderung der geometrischen Form des Düsenmaterials durch einen oder mehrere der folgenden Effekte realisiert wird: inverser Piezoeffekt, Elektrostriction, Magnetostriction, thermischer Effekt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Aenderung der geometrischen Form des Düsenmaterials durch mechanische Spannungen übertragen wird, insbesondere durch eine oder Kombinationen von Zug-, Druck-, Biege-, Verdreh- und Schubspannungen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Einbringung und Zerstäubung durch eine oder mehrere um den Brennraum angeordnete Düsen erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Vielzahl von Einspritzdüsen oder eine ringförmige Einspritzdüse um den Mittelpunkt des Brennraumes angeordnet sind und im Brennraum ein flächiger Film bzw. Spray erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Aenderung der geometrischen Form des Düsenquerschnitts mittels einer elektronischen Steuerung erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass bei mehreren oder einer Vielzahl von Einspritzdüsen wenigstens ein Teil der Einspritzdüsen individuell steuerbar / regelbar ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Mündungsbereich beim Austritt der Einspritzdüsen in dem Brennraum, als Wirbelkammer insbesondere als torusförmige Wirbelkammer ausgebildet ist und das Fluid mit der Verbrennungsluft verwirbelt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Fluid aus Bestandteilen von Flüssigkeit und / oder Gasen und / oder Partikeln besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Fluid radial und / oder tangential in den Brennraum eingespritzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Düsenkanal-Querschnitt von wenigstens einer Dichtfläche verformt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

dadurch gekennzeichnet,

dass mit der Aenderung der geometrischen Form wenigstens eines Teiles des Düsenmaterials eine schlitzförmige Öffnung erzeugt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Aenderung der geometrischen Form des Düsenmaterials die Fluidströmung an einer oder an mehreren Positionen in den Einspritzdüsenkanal beeinflusst wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Aenderung der geometrischen Form des Düsenmaterials der Fluidströmung Schwingungen überträgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14,

dadurch gekennzeichnet,

dass alle Düsen direkt mit einem internen Fluidspeicher oder einer Ringleitung verbunden sind.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Einspritzdüsen mit Unterstützung des hydraulischen Drucks im internen Fluidspeicher geschlossen werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Einspritzdüsen durch eine Fluidzirkulation gekühlt werden.

18. Injektor für eine Wärmekraftmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, mittels einer oder mehrerer gesteuerter Einspritzdüsen,

dadurch gekennzeichnet,

dass mittels einer elektronischen Steuerung die geometrische Form von Teilen des

Düsenmaterials verformt und dadurch derEinspritzdüsenquerschnitt steuerbar ist.

19. Injektor nach Anspruch 18,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Einspritzdüse zwischen zwei Platten gebildet ist, wobei die geometrische Form von wenigstens einer Platte verformbar ist.

20. Injektor nach Anspruch 18 oder 19,

dadurch gekennzeichnet,

dass die zwei Platten kreisringförmig ausgebildet und um den Brennraum angeordnet sind.

21. Injektor nach Anspruch 19,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Einspritzdüsen um den Brennraum angeordnet in eine torusförmige Wirbelkammer münden.

22. Injektor nach einem der Ansprüche 18 bis 21,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Düsenmaterial wenigstens einer Düsenplatte aus einem Material besteht, mit welchem ein oder mehrere der folgenden Effekte realisierbar sind: inverser Piezoeffekt, Elektrostriction, Magnetostriction, thermischer Effekt.

23. Injektor nach einem der Ansprüche 18 bis 22,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Aenderung der geometrischen Form des Düsenmaterials durch mechanische Spannungen übertragen wird, durch eine oder eine Kombination von Zug-, Druck-, Biege-, Verdreh- und Schubspannungen.

24. Injektor nach einem der Ansprüche 18 bis 23,

dadurch gekennzeichnet,

dass der bzw. die Einspritzdüsenkörper ringförmig angeordnet oder ringförmig ausgebildet ist bzw. sind mit einem entsprechend ringförmig ausgebildeten Fluidspeicher.

25. Injektor nach einem der Ansprüche 18 bis 24,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein Düsenteil bzw. Aktuator des Injektors ganz oder teilweise in Multilayer-Technologie gefertigt ist.