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Die
Erfindung betrifft einen Motor mit Kraftstoffdirekteinspritzung
und insbesondere einen Motor mit Direkteinspritzung vom Typ Diesel
mit vier Takten, wie er in der Automobilindustrie verwendet wird.
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Diese
Motoren weisen herkömmlicherweise mindestens
einen Zylinder mit einem Zylinderkopf auf, welcher den Deckel über dem
Zylinder bildet, an welchem im Wesentlichen parallel zur Achse des
Zylinders mindestens ein Einlassventil für Frischluft, mindestens ein
Auslassventil und eine zentrale Kraftstoffeinspritzdüse montiert
sind, und einen Kolben, welcher gleitend in dem Zylinder zwischen
einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt montiert ist und
an seiner oberen Oberfläche
eine Schale aufweist, die mit einem zentralen Ansatz versehen ist.
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Vielzählige Formen
des Profils der Schale sind mit dem Ziel vorgeschlagen worden, die
Leistungen des Motors zu verbessern und die Emissionen von umweltverschmutzenden
Stoffen, wie z.B. Abgase, NOx, HC und CO zu reduzieren.
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Herkömmlicherweise
weist die Schale des Kolbens einen Ansatz einer kegelförmigen oder
kegelstumpfartigen Form auf, der mit einer seitlichen Wand verbunden
ist, die vertikal sein kann oder eine Konkavität aufweisen kann. Die Einspritzdüse zerstäubt den
Kraftstoff unter hohem Druck in mehrere Strahle, die an einem Konus
angeordnet sind, dessen Achse mit der vertikalen Achse der Schale
zusammenfällt.
Der Winkel der Fläche
der Einspritzdüse
ist derart, dass die Kraftstoffstrahle die seitliche Wand der Schale
schneiden, wenn der Kolben im oberen Totpunkt ist, und hieraus ergibt
sich eine Bewegung der Kraftstoff/Einlassgas-Mischung in Richtung nach unten und
sodann in Richtung zur Mitte der Schale.
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Es
ist ebenso, insbesondere in dem Dokument
EP 1 217 186 , eine Einspritzdüse mit einem
geringen Winkel der Fläche
vorgeschlagen worden, damit die Kraftstoffstrahle, welche von der
Einspritzdüse
her kommen, durch die kegelförmige
oder kegelstumpfförmige
Wand des zentralen Ansatzes geführt werden,
wobei die Mischung sodann eine umgekehrte Bewegung zu derjenigen
ausführt,
welche zuvor beschrieben wurde.
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Um
die Mischung des Kraftstoffs und des Einlassgases zu verbessern
und somit den Wirkungsgrad der Verbrennung in der Kammer zu erhöhen, ist
es bekannt, einen Wirbelstrom der Einlassgase, herkömmlich bezeichnet
als „Swirl", um eine im Wesentlichen
identische Achse zu derjenigen des Zylinders zu erzeugen unter Annahme
einer besonderen Geometrie und Anordnung der Lufteinlassleitungen.
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Die
Erfindung hat als Aufgabe, einen neuartigen Motor mit Direkteinspritzung
vorzuschlagen, welcher einen guten Kompromiss zwischen spezifischen,
erhöhten
Leistungen und einer reduzierten Emission von umweltverschmutzenden
Gasen sicherstellt.
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Hierfür hat die
vorliegende Erfindung einen Motor mit Kraftstoffdirekteinspritzung
zum Gegenstand, aufweisend mindestens einen Zylinder mit einem Zylinderkopf
welcher einen Deckel über
dem Zylinder bildet, an welchem im Wesentlichen parallel zur Achse
des Zylinders mindestens ein Einlassventil, mindestens ein Auslassventil
und eine zentrale Kraftstoffeinspritzdüse, welche fähig ist,
Kraftstoffstrahle in mindestens einer Fläche einzuspritzen, montiert
sind, und einen Kolben, welcher gleitend in dem Zylinder montiert
ist und an seiner obere Oberfläche
eine Schale aufweist, die mit einem zentralen Ansatz versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Einspritzdüse fähig ist,
gleichzeitig Kraftstoffstrahle gemäß einer ersten schmalen Fläche, wobei
der Winkel (β') der ersten Fläche und
der Winkel (α)
an der Spitze des Ansatzes derart festgelegt sind, dass die Strahle
der ersten Fläche
durch die Seitenfläche
des Ansatzes geführt
werden, wenn der Kolben sich in der Nähe seines oberen Totpunkts
befindet, und Kraftstoffstrahle gemäß einer zweiten breiten Fläche zu liefern,
welche einen Winkel (β'') derart aufweist, dass der Auftreffpunkt
der Strahle der zweiten Fläche
sich auf Höhe
der seitlichen Wand der Schale befindet, vorzugsweise in der unteren Hälfte der
seitlichen Wand der Schale, wenn der Kolben sich in der Nähe seines
oberen Totpunkts befindet.
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Gemäß einer
Besonderheit weist die seitliche Wand der Schale eine konkave Vertiefung
derart auf, dass die Kraftstoffstrahle der zweiten Fläche durch
die konkave Vertiefung geführt
werden, wenn sich der Kolben in der Nähe seines oberen Totpunkts befindet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die konkave Vertiefung aus einem gekrümmten Teil und einem geraden
geneigten Teil gebildet, wobei der Winkel der zweiten Fläche und
der Neigungswinkel des geraden Teils festgelegt sind, um die Führung der Strahle
in Richtung nach unten zu erlauben, die von dieser breiten Fläche her
kommen.
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Vorteilhafterweise
liegt der Winkel (β') der ersten Fläche zwischen
55° und
65°, und/oder
der Winkel an der Spitze (α)
des Ansatzes der Schale ist um 5 bis 15° größer als der Winkel (β') der ersten Fläche, und/oder
der Winkel (β'') der breiten Fläche liegt zwischen 120 und
160°.
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Gemäß einer
anderen Besonderheit umfassen die breite Fläche und die schmale Fläche jede mindestens
drei Strahle, die in regelmäßigen Winkelintervallen
aufgeteilt sind.
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Vorteilhafterweise
sind die Ausgangsöffnungen
der zwei Flächen
gemäß einer
gleichen Ebene angeordnet.
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Gemäß einer
anderen Besonderheit sind die zwei Flächen versetzt angeordnet, jede
Fläche
weist n Strahle auf, wobei die Ausgangsöffnungen einer Fläche bei
360/(2xn) Grad von denjenigen der anderen Fläche angeordnet sind.
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Gemäß einer
anderen Besonderheit weist der Motor eine Wirbelbewegung oder „Swirl" auf, deren Intensität geringer
als 1 Nd/N ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist die Schale eine seitliche Wand auf, die einen gekrümmten Teil
in einem Krümmungsradius
R2 aufweist, einen im Wesentlichen geradlinigen geneigten Teil mit einem
Neigungswinkel θ und
einen zurückgehenden Sattel,
wobei die seitliche Wand mit der kegelstumpfförmigen oder kegelförmigen Wand
des Ansatzes über
eine Übergangswand
verbunden ist, welche einen gekrümmten
Teil eines Krümmungsradius
R1 aufweist und gegebenenfalls eine im Wesentlichen ebene Wand,
wobei die Schale einen Öffnungsdurchmesser
der Schale D1 aufweist, einen mittleren
Bodendurchmesser der Schale D2, einen Satteldurchmesser
D3, eine Tiefe der Schale H1,
eine Tiefe des Sattels H2, einen Abstand
d zwischen der Spitze des Ansatzes und der oberen Oberfläche des
Kolbens, einen Ausgangsquerschnitt S und ein Gesamtvolumen V und
wobei mindestens eine der nachfolgenden Bedingungen erfüllt ist:
- – D1/H1 zwischen 2 und
3,5;
- – R2/R1 zwischen 0,6
und 0,85;
- – D2/D1 niedriger als
0,7;
- – D3/D1 zwischen 0,7
und 0,9;
- – H2/H1 zwischen 0,6
und 0,85;
- – θ niedriger
als 35°;
und/oder
- – S/V
zwischen 0,75 min–1 und 1,5 mm–1.
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Die
Anmelderin hat festgestellt, dass, unter einem Verwenden einer Einspritzdüse mit zwei
Flächenwinkeln
mit einer besonderen Schalengeometrie, wie sie zuvor definiert worden
ist, und vorzugsweise mit einem schwachen „Swirl"-Grad, es möglich war, eine optimale Verwendung
des in der Brennkammer vorhandenen Verbrennungsmittels sicherzustellen,
im Allgemeinen der Sauerstoff der Luft, und somit gute Leistungen
im Hinblick auf das Moment und die spezifische Kraft, ein geringes
Verschmutzungsniveau mit insbesondere einem geringen Verbrennungsgeräusch zu
erhalten.
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Die
Erfindung wird besser verstanden werden, und andere Aufgaben, Details,
Merkmale und Vorteile werden deutlicher offenbar im Verlaufe der detaillierten,
erläuternden
Beschreibung, welche nachfolgt, einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung, die derzeit bevorzugt ist, unter Bezugnahme auf die
schematischen, beigefügten
Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
schematische Draufsicht des Dachs des Zylinderkopfes eines Zylinders
des Motors darstellt;
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2 eine
teilweise Schnittansicht gemäß der Ebene
II-II aus 1 darstellt;
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3 ein
Halbschnitt in vergrößertem Maßstab der
Schale des Kolbens aus 2 ist;
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4 eine
Schnittansicht in vergrößertem Maßstab des
Einspritzkopfes aus 2 darstellt; und
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5 eine
Ansicht von unten der Einspritzdüse
aus 4 darstellt.
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Die 1 und 2 stellen
einen Zylinder 1 des Motors mit Direkteinspritzung dar,
insbesondere eines Motors vom Typ Diesel. Der Zylinder ist an seinem
oberen Ende durch einen Zylinderkopf 2 verschlossen, und
ein Kolben 3 ist gleitend auf dichte Weise in der Bohrung
des Zylinders montiert. Die Brennkammer 4 ist durch den
Zylinderkopf und die obere Fläche 31 des
Kolbens begrenzt, welcher zwischen seinem unteren Totpunkt und seinem
oberen Totpunkt gleitet. Die obere Fläche 31 des Kolbens weist
eine kreisförmige
Vertiefung oder profilierte Schale 5 auf, die im Wesentlichen
im Verhältnis
zur Achse A des Zylinders zentriert ist. Der Boden der Schale weist
eine zentrale Erhöhung
oder Ansatz 6 in einer kegelförmigen oder kegelstumpfartigen
Form mit einem Winkel an der Spitze α auf, der über eine Übergangswand 7 und
eine seitliche Wand 8 mit der oberen Oberfläche 31 verbunden
ist, wobei diese letztere einen frontalen, ringförmigen Spielbereich bildet,
welcher die Schale umgibt. Der Zylinderkopf 2 weist die
zentrale Kraftstoffeinspritzdüse 9 auf,
eine Glühkerze 10 sowie
Einlassventile 11 und Auslassventile, z.B. zwei Einlassventile
und zwei Auslassventile, die um die Einspritzdüse 9 herum angeordnet sind.
Der Motor fasst mehrere Zylinder mit analogen Brennkammern zusammen.
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Unter
Bezugnahme auf die 4 und 5 ist die
zentrale Einspritzdüse 9 im
Wesentlichen entsprechend der Achse A des Zylinders angeordnet und
weist auf bekannte Art und Weise einen Kopf oder Einspritznase 91 auf,
die vorragend in die Brennkammer angeordnet ist und welche mit Löchern oder
Durchgängen
zum Einspritzen des Kraftstoffs in Form von Strahlen versehen ist.
Eine Einspritznadel 92 ist in dem Einspritzkopf zum Steuern des
Durchsatzes und des Drucks der Strahle montiert.
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Gemäß der Erfindung
bildet die Einspritzdüse
Kraftstoffstrahle, welche gemäß zwei Konussen oder
Flächen
von unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind, deren Achsen mit
der Achse A des Zylinders zusammenfallen. Die Kraftstoffstrahle
sind gemäß einer
ersten als schmal bezeichneten Fläche angeordnet, welche einen
Flächenwinkel β' aufweist, und gemäß einer
zweiten als breit bezeichneten Fläche, welche einen Flächenwinkel β'' aufweist. Hierfür weist die Einspritznase eine
erste Reihe von Löchern oder
Durchgängen 93a, 93b, 93c auf,
deren Achsen in einer Weise angeordnet sind, um die schmale Fläche mit
dem Winkel β' zu bilden, und eine
zweite Reihe von Durchgängen
oder Löchern 94a, 94b, 94c für die Bildung
der breiten Fläche
im Winkel β''. Die Durchgänge der zwei Flächen weisen
transversale, identische Querschnitte auf, im Allgemeinen kreisförmig, und
welche versetzt bei einem regelmäßigen Winkelintervall
angeordnet sind. Die Durchgänge
der zwei Flächen
münden
in die Brennkammer auf der gleichen Höhe, wobei die Öffnungen
der Ausgänge der
Durchgänge
gemäß einer
gleichen Ebene P rechtwinklig zur Achse des Zylinders zentriert
sind. In der vor liegenden Ausführungsform
weist jede Fläche drei
Durchgänge 93a–b und 94a–b auf,
wobei die Durchgänge
einer gleichen Fläche
um 60° voneinander
beabstandet sind, wobei die benachbarten Durchgänge der zwei unterschiedlichen
Flächen
bei 30° zueinander
angeordnet sind.
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Unter
Bezugnahme auf 3, in welcher schematisch die
zwei Flächen
mit den Winkeln β' und β'' dargestellt sind, ist der Ansatz 6 koaxial
zu den Achsen der zwei Kraftstoffflächen angeordnet, die von der
Einspritzdüse
her kommen. Der Ansatz weist eine konische Form mit einer leicht
abgerundeten Spitze auf, welche durch eine konische Wand oder Flanke 62 im
Wesentlichen geradlinig in Richtung des Bodens der Schale fortgesetzt
ist. Die gerade Flanke bzw. Seitenfläche ist durch die Übergangswand 7 fortgesetzt,
welche einen ersten gekrümmten Teil 71 eines
Krümmungsradius
R1 aufweist und eine im Wesentlichen ebene Wand 72, welche
den Boden der Schale bildet, und endet durch die seitliche Wand 8,
welche zwei gekrümmte
Teile 81 eines Krümmungsradius
R2 aufweist, einen im Wesentlichen geraden geneigten Teil 82,
welcher einen Neigungswinkel θ mit
der Vertikalen bildet, der mit der oberen ringförmigen Fläche 31 durch eine
Kehle 83 verbunden ist, die einen zurückgehenden Sattel bildet.
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In
einer Variante kann der Ansatz eine im Allgemeinen kegelstumpfartige
Form mit einer im Wesentlichen horizontalen Spitze aufweisen, die
durch eine im Wesentlichen gerade Flanke fortgesetzt wird, einem Übergangsteil,
der aus einem einzigen gekrümmten
Teil gebildet wird, und einer seitlichen Wand, die aus einem gekrümmten Teil
gebildet wird, gegebenenfalls von dem gleichen Krümmungsradius wie
demjenigen des Übergangsteils,
und einem im Wesentlichen vertikalen Teil, welcher mit der oberen Fläche des
Kolbens verbunden ist.
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Der
Winkel an der Spitze α des
Ansatzes ist an den Winkel β' der schmalen Fläche der
Einspritzdüse
derart angepasst, dass die Strahle dieser schmalen Fläche im Wesentlichen
entlang der geraden Flanke des Ansatzes eingespritzt werden, wenn der
Kolben in der Nähe
des oberen Totpunkts ist. Der Winkel der schmalen Flä che β' liegt zwischen 55
und 65°.
Der Winkel an der Spitze α des
Ansatzes ist um 5 bis 15° größer als
der Winkel der Fläche
der schmalen Fläche,
wobei die Kraftstoffstrahle, welche von der Einspritzdüse her kommen,
somit einen Schnittwinkel von mindestens 5° mit der Flanke des Ansatzes
bilden (Schnittwinkel = α – β'). Die Höhe des Ansatzes
ist niedriger als die Tiefe der Schale, der Abstand d zwischen der
Spitze 61 des Ansatzes und der oberen Fläche des
Kolbens liegt zwischen 4 und 5 mm.
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Die
Geometrie der Schale und der Winkel β'' der
breiten Fläche
sind derart, dass, wenn der Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts ist,
der Auftreffpunkt der Strahle dieser breiten Fläche sich unter dem zurückgehenden
Sattel 83 auf Höhe
des geraden Teils 82 der seitlichen Wand der Schale befindet, im
Wesentlichen auf mittlerer Tiefe (H1/2),
derart, dass die Strahle dieser Fläche durch diesen geraden Teil
geführt
werden (Definition der Auftreffzone in der Höhe, Winkel β'' im
Verhältnis
zu θ).
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Der
Kraftstoffstrom, welcher von einem Strahl der schmalen Fläche her
kommt, und derjenige, welcher von einem Strahl der breiten Fläche her kommt,
sind schematisch in der gleichen 3 durch die
Pfeile dargestellt worden, welche jeweils mit F1 und F2 bezeichnet
sind, diese Ströme
sind selbstverständlich
winkelmäßig verschoben,
wobei ein Kraftstoffstrom, welcher von einer Fläche her kommt, zwischen zwei
Kraftstoffströme
in umgekehrter Richtung der anderen Fläche zwischengesetzt ist. Die
Strahle der breiten Fläche
winden sich in dem Torus, der zwischen der geneigten Wand 82 und
dem gekrümmten Teil 81 gebildet
wird, steigen dann in Richtung zu dem zentralen Ansatz 6 an.
Umgekehrt gehen die Strahle der schmalen Fläche entlang dem Ansatz herunter
und steigen dann entlang der geneigten Wand auf. Diese gleichzeitigen
Kraftstoffeinspritzungen gemäß zweier
versetzter Flächen
stellen eine gute Mischung von Kraftstoff und Luft sicher, welche in
der Kammer vorhanden ist.
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Mit
D1 bezeichnet man den Öffnungsdurchmesser der Schale
mit einem Radius entsprechend dem Abstand zwischen der Achse A und
dem am weitesten entfernten Punkt des zweiten gekrümmten Teils 81,
mit D2 den mittleren Durchmesser des Bodens
der Schale mit einem Radius entsprechend dem Abstand zwischen der
Achse A und der Mitte der ebenen, horizontalen Wand 72,
welche den Boden der Schale bildet, mit D3 den
Durchmesser des Sattels mit einem Radius entsprechend dem Abstand zwischen
der Achse A und dem Ende des Sattels. H1 bezeichnet
die Tiefe der Schale, d.h. den Abstand zwischen der oberen Fläche 31 und
der horizontalen Wand 72, und H2 bezeichnet
die Tiefe des Sattels berücksichtigt
am Durchmesser des Sattels. Vorteilhafterweise erfüllt die
Schale die nachfolgenden Bedingungen:
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- – das
Verhältnis
D1/H1 liegt zwischen
2 und 3,5;
- – das
Verhältnis
R2/R1 liegt zwischen
0,6 und 0,85;
- – das
Verhältnis
D2/D1 ist niedriger
als 0,7;
- – der
Neigungswinkel θ ist
niedriger als 35°;
- – D3/D1 liegt zwischen
0,7 und 0,9; und
- – H2/H1 liegt zwischen
0,6 und 0,85.
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Außerdem ist
das Verhältnis
des Ausgangsquerschnitts S der Schale, betrachtet auf Höhe des Durchmessers
des Sattels D3, über das gesamte Volumen der
Schale V, d.h. S/V, zwischen 0,75 mm–1 und
1,5 mm–1.
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Die
Stärke
der „Swirl"-Bewegung ist relativ schwach,
wobei das Verhältnis
der Geschwindigkeit der Einlassgase in der Brennkammer (Nd) in U/min über die
Motordrehzahl (N) in U/min niedriger als 1 ist, wobei der „Swirl"-Grad in den Motoren
des Standes der Technik herkömmlicherweise
zwischen 2 und 3,5 Nd/N liegt. Diese Geometrie der Schale kombiniert
mit einer Einspritzdüse
mit zwei Flächenwinkeln und
mit einem „Swirl" einer schwachen
Stärke
ermöglicht
es, ein spezifisches erhöhtes
Leistungsniveau, insbesondere eine spezifische Leistung größer als
60 kW/l bei 4000 U/min, und ein geringes Niveau an umweltverschmutzenden
Stoffen miteinander in Einklang zu bringen.
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Obwohl
die Erfindung in Verbindung mit einer besonderen Ausführungsform
beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass sie keineswegs beschränkt ist und
alle die technischen Äquivalente
der so beschriebenen Mittel sowie ihre Kombinationen umfasst, wenn
diese in den Rahmen der Erfindung fallen.