DE102006007464A1

DE102006007464A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102006007464A1
Application number: DE102006007464A
Authority: DE
Inventors: John T. Peoria Vachon
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2006-10-12
Also published as: US20060201478A1; US7201135B2; JP2006250148A

Abstract

Die vorliegende Offenbarung sieht einen Verbrennungsmotor mit einem Motorgehäuse mit mindestens einem Zylinder vor, der einen Durchmesser von weniger als ungefähr 3 Inch hat. Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung ist vorgesehen und zumindest teilweise in dem mindestens einen Zylinder angeordnet und weist eine Vielzahl von Auslasszumessöffnungen mit einem Durchmesser zwischen ungefähr 50 Mikrometern und 110 Mikrometern auf. Die Offenbarung sieht weiter ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors vor. Das Verfahren weist die Schritte auf, eine Motorkurbelwelle des Motors mit einer Drehzahl von mehr als ungefähr 5000 Umdrehungen pro Minute zu drehen, eine Brennstoffmenge in jedem der Zylinder einzuspritzen und zumindest bei jedem vierten Kolbenhub eine ausreichende Menge des eingespritzten Brennstoffes zu verbrennen, um einen mittleren effektiven (Grenz-)Druck von mindestens ungefähr 200 Pfund pro Quadratinch zu erhalten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Brennungsmotoren und bezieht sich insbesondere auf direkt einspritzende Verbrennungsmotoren mit kleiner Bohrung, die Brennstoffeinspritzvorrichtungen mit winzigen Auslasszumessöffnungen verwenden.

Hintergrund

Verbrennungsmotoren sind seit langem als Leistungsquellen in einem breiten Bereich von Anwendungen verwendet worden. Verbrennungsmotoren können in Ihrer Größe von relativ kleinen in der Hand gehalten Leistungswerkzeugen zu relativ großen Dieselmotoren reichen, die in Schiffen und Elektrogeneratorstationen eingesetzt werden. Im Allgemeinen sind größere Motoren leistungsfähiger, während kleinere Motoren weniger leistungsfähig sind. Die Motorleistung kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden, wobei „BMEP" der mittlere effektive (Grenz-)Druck (BMEP = brake mean effective pressure) ist, d. h. der durchschnittliche Zylinderdruck während des Leistungshubes eines herkömmlichen 4-Takt-Motors: Leistung = (BMEP) × (Motorhubraum) × (U/min) × (1/792000) (englische Einheiten)

Während größere Motoren leistungsfähiger sein können, wird ihr Verhältnis von Leistung zu Gewicht oder Größe oder die „Leistungsdichte" typischerweise geringer als bei kleineren Motoren. Die Leistung variiert mit dem Quadrat eines gegebenen Skalierungsfaktors, während das Gewicht und das Volumen mit der dritten Potenz des Skalierungsfaktors variieren. Das Heraufskalieren der Motorgröße um einen Faktor von zwei, beispielsweise durch Verdoppelung der Größe der Zylinderbohrung und durch Verdoppelung des Kolbenhubes eines typischen Motors wird, wobei alles sonst gleich bleibt, die Leistung um ungefähr das vierfache steigern. Die Größe und das Gewicht werden jedoch ungefähr 8 mal zunehmen. Die „Leistungsdichte" kann sich somit um die Hälfte verringern. Die gleichen Prinzipien sind im Allgemeinen anwendbar, wenn man versucht, einen Motor herunterzuskalieren. Wenn die Bohrungsgröße eines typischen Motors um einen Faktor von zwei verringert wird, wird die Motorleistung um einen Faktor von vier abnehmen, jedoch werden die Größe und das Gewicht des Motors um einen Faktor acht abnehmen. Somit wird, während kleiner Motoren vergleichsweise weniger verfügbare Leistungsausgabe haben, ihre theoretische Leistungsdichte in vielen Fällen größer sein, als bei ähnlichen größeren Motoren.

Ein weiterer damit in Beziehung stehender Faktor bezüglich der Leistungsdichte ist die Hubdistanz der Kolben in einem speziellen Motor. In vielen Motoren gibt es einen negativen Zusammenhang zwischen der Hubdistanz und den Umdrehungen pro Minute. Motoren mit vergleichsweise längerem Hub tendieren dazu, mehr Drehmoment und niedrigere Umdrehungen pro Minute zu haben, während Motoren mit vergleichsweise kürzerem Hub dazu tendieren, weniger Drehmoment und mehr Umdrehungen pro Minute zu haben. Auch wenn ein Motor mit kurzem Hub und ein Motor mit langem Hub die gleiche Leistung haben, kann der Motor mit kürzerem Hub eine größere Leistungsdichte haben, da er ein kürzerer kleinerer Motor sein kann.

Für viele Anwendungen können kleinere Motoren mit größerer Leistungsdichte wünschenswert sein. Bei vielen Flugzeugen ist es beispielsweise wünschenswert, relativ kleine leichtgewichtige Motoren mit hoher Leistungsdichte mit einer relativ großen Anzahl von Zylindern zu verwenden, als große Motoren mit vergleichsweise weniger Zylindern. Jedoch haben Versuche, viele Verbrennungsmotoren unter gewisse Grenzen herunter zu skalieren, wenig Erfolg gehabt, insbesondere mit Bezug auf direkt einspritzende verdichtungsgezündete Motoren. Viele kleinere Motoren mit theoretisch größerer Leistungsdichte könnten nicht fähig sein, vollständig ausreichend Brennstoff pro Leistungshub in ihren vergleichsweise kleinen Zylindern zu verbrennen, um höhere Leistungsanforderungen zu erfüllen.

Wenn beispielsweise ein herkömmlicher Motor mit einer niedrigeren Temperatur und Aufladung läuft, wo relativ kleine Brennstoffmengen für jeden Zyklus eingespritzt werden, und mehr Leistung des Motors angefordert wird, kann eine Unfähigkeit, die höheren angeforderten Brennstoffmengen zu verbrennen, die Ausgangsleistung des Motors begrenzen. Wenn mehr Brennstoff über längere Einspritzzeiträume eingespritzt wird, kann der flüssige Brennstoff die Kolbenflächen und irgendwelche anderen Oberflächen der Brennkammer berühren, was in der Technik als „Wandbenetzung" bekannt ist, bevor er die Chance hat, sich adäquat mit der Frischluftladung des Zylinders zu vermischen. Dieses Problem ist insbesondere bei Motoren mit kleinerer Bohrung wichtig. Eine Wandbenetzung kann somit Motoren mit kleinerer Bohrung auf niedrigere Leistung und auf schlechtere Emissionen einschränken, was intuitiv die ihnen innenwohnenden Fähigkeiten währen, da die Wandbenetzung dazu tendiert, eine schlechte Verbrennung und hohe Kohlenwasserstoff- und Partikelemissionen zu bewirken.

Bei vergleichsweise höheren Temperaturen und Zylinderinnendrücken ist die Wandbenetzung weniger ein Problem. Eine nicht adäquate Vermischung des Brennstoffes und der Luft kann jedoch eine übermäßige Rauchbildung vor der Verbrennung verursachen, was die Motorleistung begrenzt, und zwar lange bevor die theoretische Leistungsgrenze erreicht ist. Ein Grund für diese Einschränkungen ist, dass es bei höheren Umdrehungszahlen pro Minute nur eine relativ kleine Zeitdauer gibt, in der Brennstoff in jeden Zylinder eingespritzt und gezündet wird.

Als eine Folge der obigen Einschränkungen sind zwei sehr allgemeine Klassen von kleinen Dieselmotoren herausgebildet worden, die mit vergleichsweise höherem mittleren effektiven (Grenz-)Druck BMEP und niedrigeren Umdrehungen pro Minute arbeiten, und jene, die mit einem vergleichsweise niedrigeren mittleren effektiven Druck und einer höheren Umdrehungszahl pro Minute arbeiten. Jedoch kann keine Motorbauart typischerweise eine attraktive Leistungsdichte in Übereinstimmung mit ihrer Größe und ihrem Gewicht vorsehen. Ein Beispiel eines Dieselmotors mit kleiner Bohrung ist der TKDI 600, der von der Firma Dr. Schrick, Remscheid, Deutschland konstruiert wurde. Der TKDI 600 bringt eine Ausgangsleistung von 34 kW bei 6000 U/min oder ungefähr 46 PS. Die Bohrungsgröße des TKDI 600 kann ungefähr 76 mm oder ungefähr 3 Inch sein, und der Kolbenhub kann ungefähr 66 mm oder 2,6 Inch sein. Obwohl beansprucht wird, dass der TKDI 600 gewisse Anwendungen, wie beispielsweise in kleinen unbemannten Flugzeugen hat, ist der verfügbare mittlere effektive Druck BMEP vergleichsweise niedrig, ungefähr 169 PSI, und der Motor ist daher in gewisser Weise bezüglich seiner gesamten verfügbaren Leistungsausgabe und daher bezüglich der Leistungsdichte eingeschränkt.

Die vorliegende Offenbarung ist auf eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme oder Nachteile gerichtet.

Zusammenfassung der Offenbarung

Gemäß einem Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung einen Verbrennungsmotor vor. Der Verbrennungsmotor weist ein Motorgehäuse mit mindestens einem Zylinder auf, wobei der Zylinder einen Durchmesser hat, der geringer als ungefähr 3 Inch ist. Der Motor weist weiter eine Brennstoffeinspritzvorrichtung auf, die zumindest teilweise in dem mindestens einen Zylinder angeordnet ist. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung weist eine Vielzahl von Auslasszumessöffnungen mit einem Durchmesser zwischen ungefähr 50 Mikrometern und ungefähr 110 Mikrometern auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors vor. Das Verfahren weist den Schritt auf, eine Motorkurbelwelle mit einer Drehzahl von mehr als ungefähr 5000 U/min zu drehen, wobei die Kurbelwelle mit einer Vielzahl von Kolben gekoppelt ist, die jeweils zumindest teilweise in einem Motorzylinder mit einem Durchmesser von weniger als ungefähr 3 Inch hin und her zu bewegen sind. Das Verfahren weist weiter den Schritt auf, eine Menge von flüssigem Brennstoff in jedem der Zylinder zumindest einmal alle 4 Hübe des damit assoziierten Kolbens einzuspritzen. Noch weiterhin weist das Verfahren den Schritt auf, eine ausreichende Menge von flüssigem Brennstoff in jedem Zylinder zu zünden, um einen mittleren effektiven (Grenz-)Druck von ungefähr 200 Pfund pro Quadratinch zu ergeben.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt sieht die vorliegende Offenbarung einen Verbrennungsmotor vor, der ein Motorgehäuse mit mindestens einem darin angeordneten Zylinder aufweist. Der Motor weist weiter mindestens einen Kolben auf, der zumindest teilweise in dem mindestens einem Zylinder angeordnet ist, und definiert einen Hubraum von weniger als ungefähr 25 Kubikinch. Der Motor weist weiter mindestens eine Brennstoffeinspritzvorrichtung auf, die betreibbar ist, um einen Brennstoff in dem mindestens einen Zylinder einzuspritzen, und zwar mit einer Vielzahl von Auslasszumessöffnungen mit einem Durchmesser zwischen ungefähr 50 Mikrometern und 110 Mikrometern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Motors gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine vergrößerte geschnittene diagrammartige Seitenansicht eines Teils eines Motorzylinders, der eine Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung aufweist; und
3 ist eine Kurvendarstellung, die Aufzeichnungen von verschiedenen verdichtungsgezündeten Motorbauarten veranschaulicht, die den mittleren effektiven (Grenz-)Druck BMEP und die Umdrehungen pro Minute in Beziehung setzen.
Detaillierte Beschreibung
Mit Bezug auf 1 ist dort eine schematische Darstellung eines Motors 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Motor 10 weist ein Motorgehäuse 12 mit einer Vielzahl von Zylindern 14 darin auf. Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 16 ist zumindest teilweise in jedem der Zylinder 14 angeordnet und ist betreibbar, um einen flüssigen Brennstoff dorthinein direkt einzuspritzen. Jede der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 16 kann eine Brennstoffeinspritzvorrichtungsspitze 20 aufweisen, die sich in den assoziierten Zylinder erstreckt, und jede Spitze 20 hat eine Vielzahl von Auslasszumessöffnungen 22. Der Motor 18 weist weiter eine Vielzahl von Kolben 21 auf, die jeweils zumindest teilweise in einem der Zylinder 14 angeordnet ist und darin bewegbar ist, und jeder Kolben ist mit einer Kurbelwelle 30 über eine Kolbenstange 23 gekoppelt. Der Motor 10 kann weiter eine Quelle 17 für unter Druck gesetzten Brennstoff aufweisen, die beispielsweise eine Hochdruckpumpe oder eine nockenbetätigte Brennstoffdruckvorrichtung ist. Die Quelle 17 für unter Druck gesetzten Brennstoff kann strömungsmittelmäßig mit jeder der Brennstoffeinspritzvorrichtungen 16 über eine Hochdruckeinspeisungsleitung oder eine Common-Rail 19 und eine Vielzahl von Versorgungsdurchlässen 26 verbunden sein. Es wird in Betracht gezogen, dass die Quelle 17 Brennstoff auf mindestens ungefähr 150 MPa unter Druck setzen wird, obwohl die vorliegende Offenbarung nicht dadurch eingeschränkt wird. Es hat sich in manchen Fällen gezeigt, dass relativ höhere Drücke die Zerstäubung des eingespritzten Brennstoffes erleichtern, jedoch kann der tatsächliche Druck basierend auf verschiedenen erwünschten Betriebscharakteristiken des speziellen Motors und der Durchführbarkeit ausgewählt werde. Es wird in Betracht gezogen, dass der Motor 10 entweder ein kompressionsgezündeter bzw. verdichtungsgezündeter Motor sein kann, beispielsweise ein Dieselmotor, oder ein funkengezündeter Motor, der beispielsweise Benzin verwendet.
Ebenfalls mit Bezug auf 2 ist dort eine Nahansicht eines Teils des Motors 10 der 1 gezeigt, der einem Zylinder 14 aufweist, wobei ein Kolben 21 bewegbar darin positioniert ist. Jeder Zylinder 14 des Motors 10 wird einen Durchmesser D₁ haben, der kleiner als ungefähr 3 Inch ist, und zwischen ungefähr 2 Inch und ungefähr 3 Inch ist. Ungefähr 3 bedeutet zwischen 2,5 und 3,5. Ungefähr 2,5 bedeutet zwischen 2,45 und 2,55. Diese Beispiele werden gestatten, präzise zu bestimmen, was mit dem Ausdruck ungefähr x im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung gemeint ist. In gewissen Ausführungsbeispielen wird D₁ zwischen ungefähr 2,5 und ungefähr 2,8 Inch sein und kann auch in einem praktischen Ausführungsbeispiel ungefähr 2,7 Inch sein. Obwohl in Betracht gezogen wird, dass der Motor 10 mit nur einem einzigen Zylinder und einem einzigen Kolben aufgebaut sein könnte, werden viele Ausführungsbeispiele eine Vielzahl von Zylindern und Kolben aufweisen, typischerweise mindestens 8 und es werden Ausführungsbeispiele in Betracht gezogen, bei denen der Motor 10 zwölf Zylinder aufweist, oder sogar bis zu sechzehn oder mehr Zylindern, und zwar abhängig von der An- wendung. Die Anordnung der Zylinder im Motor 10 kann irgendeine bekannte Konfiguration aufweisen, wie beispielsweise ein V-Muster, ein Reihen-Muster, eine radiale Anordnung, eine Boxer-Anordnung usw. In vielen Ausführungsbeispielen werden die Größe und der Raum ein vordringlicher Betrachtungspunkt sein, und somit kann beispielsweise ein V-Motor eine praktische Konstruktion sein.
Der Motor 10 kann entweder ein 2-Takt- oder ein 4-Takt-Motor sein, obwohl in Betracht gezogen wird, dass ein 4-Takt-Zyklus eine praktische Strategie zum Aufbau sein wird. Zu diesem Zweck wird Brennstoff über Brennstoffeinspritzvorrichtungen 16 mindestens einmal alle vier Kolbenhübe eingespritzt. Jeder Kolben 21 wird typischerweise eine Hubdistanz „L" haben, die zwischen ungefähr 2 Inch und ungefähr 3 Inch ist, und es werden Ausführungsbeispiele in Betracht gezogen, wo die Hubdistanz von jedem Kolben 21 ungefähr 2,5 Inch sein wird. Bei einer gegebenen typischen Hubdistanz für jeden Kolben 21 wird der gesamte Hubraum von jedem Zylinder 14 des Motors 10 typischerweise geringer als ungefähr 25 Kubikinch sein und kann zwischen ungefähr 6 Kubikinch und ungefähr 25 Kubikinch sein. Es werden Ausführungsbeispiele in Betracht gezogen, wo der gesamte Hubraum von jedem Zylinder 14 zwischen ungefähr 7 Kubikinch und ungefähr 25 Kubikinch sein wird und beispielsweise ungefähr 14 Kubikinch sein kann.
Zumindest ein Teil der Auslasszumessöffnungen 22 von jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 16 wird zwischen ungefähr 50 Mikrometern und ungefähr 110 Mikrometern im Durchmesser sein, D₂ in 2. Bei gewissen Ausführungsbeispielen wird ein Teil der Zumessöffnungen 22 oder alle Zumessöffnungen 22 zwischen ungefähr 60 Mikrometern und ungefähr 90 Mikrometern haben, und ein Teil oder alle können ungefähr 85 Mikrometer haben. Die Zumessöffnungen 22 können durch Laserbohren von Löchern in die Einspritzvorrichtungsspitze 20 gebildet werden, was ein Äußeres der Einspritzvorrichtungsspitze 20 mit einer Düsenkammer 24 von jeder Brennstoffeinspritzvorrichtung 16 verbindet. Ein geeigneter Laserbohrprozess wird in dem ebenfalls zu eigenen US-Patent 6 070 813 von Durheim gelehrt. Obwohl es in Betracht gezogen wird, dass das Laserbohren der Zumessöffnungen 22 eine durchführbare Strategie sein wird, können andere Verfahren zum Formen von ultra-kleinen Einspritzzumessöffnungen verwendet werden. Beispielsweise können die Zumessöffnungen 22 über bekannte Verfahren zur Beschichtung oder Plattierung von größeren Löchern herunter auf den erwünschten Durchmesser gebildet werden, oder durch Gießen von keramischen Einspritzvorrichtungsdüsen mit kleinen Drähten darin und Abbrennen der Drähte während des Aushärtens der Düsen, oder durch irgendeine ande- re gegenwärtig bekannte oder noch zu entdeckende Technik zur Herstellung einer Einspritzvorrichtungszumessöffnung.
Die Anzahl der Zumessöffnungen 22 kann variieren, in den meisten Ausführungsbeispielen werden die ultra-kleinen Zumessöffnungen der Zumessöffnungen 22 eine größere Anzahl als ungefähr 8 haben und typischerweise zwischen ungefähr 10 und 30 sein. Der Strömungsquerschnitt wird mit dem Quadrat eines Skalierungsfaktors des Zumessöffnungsdurchmessers variieren. Somit wird die Konstruktion eines Motors mit Brennstoffeinspritzvorrichtungszumessöffnungen mit ungefähr der Hälfte des Durchmessers von herkömmlichen, beispielsweise Zumessöffnungen mit 160 Mikrometern, einen Strömungsquerschnitt bei jeder Zumessöffnung mit 80 Mikrometern ergeben, der ¼ einer Zumessöffnung mit 160 Mikrometern ist. Somit sind in diesem Beispiel mindestens 4 kleinere Löcher nötig, um die gleiche Strömungsquerschnittskapazität von einer größeren Zumessöffnung zu haben.
Die Eindringungstiefe des Brennstoffstrahls wird im allgemeinen linear mit der Zumessöffnungsgröße in Beziehung sein. Die Wahrscheinlichkeit und das Ausmaß der Wandbenetzung und der Versprühung des eingespritzten Brennstoffes auf einer Kolbenfläche in einem gegebenen Zylinder wird typischerweise mit der Eindringungstiefe des Brennstoffstrahls in Beziehung stehen. Weil kleinere Zylinderbohrungen dazu tendieren, eine Wandbenetzung leichter zu erfahren als größere Bohrungen kann es entsprechend im allgemeinen wünschenswert sein, vergleichsweise kleinere Zumessöffnungen bei vergleichsweise kleineren Zylinderbohrungsgrößen zu verwenden. Beispielsweise können in einem Ausführungsbeispiel, wo D₁ vergleichsweise näher an 2 Inch ist, Zumessöffnungen mit einem Durchmesser D₂ geeignet sein, die vergleichsweise näher an 50 Mikrometern sind. Das Gegenteil kann bei größer bemessenen Zylindern anwendbar sein, beispielsweise näher an 3 Inch, wobei die Brennstoffeinspritzzumessöffnungen näher an 110 Mikrometern liegen.
In einem speziellen Ausführungsbeispiel wird in Betracht gezogen, dass der Motor 10 ein Brennstoffsystem verwenden wird, welches einen Brennstoffeinspritzdruck von mindestens ungefähr 150 MPa und in manchen Fällen von mindestens ungefähr 240 MPa liefern kann. Es ist heraus gefunden worden, dass gesteigerte Brennstoffeinspritzdrücke die Mischung von Brennstoff und Luft verbessern, ohne wesentlich die Eindringungstiefe des zerstäubten Brennstoffes in dem Zylinder zu beeinflussen. Die Brennstoffflussrate verändert sich mit der Quadratwurzel des Skalierungsfaktors, wobei somit eine Verdoppelung des Einspritzdruckes eine Steigerung der Flussrate für eine gegebene Zumessöffnungsgröße ergeben wird, die ungefähr √2 mal die ursprüngliche Flussrate ist.
Die vorliegende Offenbarung sieht weiter ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors vor. Das Verfahren kann den Schritt aufweißen, die Kurbelwelle 20 des Motors 10 mit mehr als ungefähr 5000 U/min zu drehen, und in manchen Ausführungsbeispielen oder unter gewissen Betriebsbedingungen mit mehr als ungefähr 6000 U/min oder sogar mit mehr als ungefähr 6500 U/min. Das Verfahren kann weiter aufweisen, eine ausreichende Menge des eingespritzten Brennstoffes in jedem der Zylinder 14 zu verbrennen, um einen mittleren effektiven (Grenz-)Druck (BMEP = brake mean effective pressure) von mindestens ungefähr 200 Pfund pro Quadratinch (PSI = pounds per square Inch) zu ergeben, und in gewissen Ausführungsbeispielen oder unter gewissen Betriebsbedingungen ausreichend Brennstoff zu verbrennen, um einen mittleren effektiven Druck von mindestens ungefähr 250 PSI oder sogar von mindestens ungefähr 350 PSI zu ergeben.
Ebenfalls mit Bezug auf 3 sind dort drei spezielle Ausführungsbeispiele von Motoren gemäß der vorliegenden Offenbarung, W, V und F, dort dargestellt, die alle in einer Betriebszone Z von Motoren gemäß der vorliegenden Offenbarung gelegen sind, wie im folgenden beschrieben. Gewisse Spezifikationen der Motoren W, V und F sind in der folgenden Tabelle dargestellt, und zwar im Vergleich zu herkömmlichen Motoren M und U. Alle Motoren W, V und F werden eine Vielzahl von Einspritzvorrichtungszumessöffnungen 22 mit einem Durchmesser D² in den beschriebenen vorbestimmten Bereichen von ungefähr 50 Mikrometern bis ungefähr 110 Mikrometern aufweisen. Wie hier beschrieben, ist die Leistungsdichte das Verhältnis von Leistung zu Masse/Volumen. Der Fachmann wird erkennen, dass die Bohrungsgröße eines speziellen Motors mit Masse/Volumen des Motors in Beziehung ist. Somit wird allgemein gesagt die Bohrung von 6 Inch des Motors M um einen Faktor von 2 mit Bezug zur Bohrung mit 3 Inch des Motors F skaliert bzw. verändert. Bei einem Skalierungsfaktor von 2 wird die Leistung des Motors M ungefähr 4 mal jene des Motors F pro Zylinder sein, da die Leistung mit dem Quadrat des Skalierungsfaktors variiert. Masse und Volumen des Motors M werden jedoch ungefähr 8 mal so groß wie die Masse und das Volumen des Motors F pro Zylinder sein, da die Masse und das Volumen mit der dritten Potenz des Skalierungsfaktors variieren. Der Motor F wird somit eine größere Leistungsdichte haben als der Motor M.
Industrielle Anwendbarkeit
Während eines typischen Vier-Takt-Zyklus wird eine Hauptbrennstoffeinspritzung stattfinden, wenn jeder der Kolben 21 auf oder nahe einer oberen Todpunktposition ist, und zwar bei jedem vierten Kolbenhub und in herkömmlicher Weise. Zusätzlich können kleiner Vor- und/oder Nacheinspritzungen jede Haupteinspritzung begleiten. In einer Kompressions- bzw. verdichtungsgezündeten Version des Motors 10 werden komprimierte Luft und der eingespritzte zerstäubte Brennstoff zünden und verbrennen, um jeden der jeweiligen Kolben 21 anzutreiben, und die Kurbelwelle 30 zu drehen. Funkengezündete Konstruktionen werden typischerweise eine Zündkerze in wohlbekannter Weise verwenden, um die Zündung zu bewirken.
Eine direkte Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder 14 über Zumessöffnungen 22 mit den vorbestimmten Durchmesserbereichen, die hier beschrieben wurden, kann eine bessere und effizientere Zündung und Verbrennung von größerer Menge und Proportionen zu dem eingespritzten Brennstoff bewirken als bei Konstruktionen, die herkömmliche Brennstoffeinspritzzumessöffnungen verwenden. Verschiedene Vorteile rühren aus dieser Fähigkeit her. Zuerst ist der mögliche mittlere effektive Druck BMEP höher. Ein höherer mittlerer effektiver Druck in jedem Zylinder bedeutet, dass ein insgesamt größerer durchschnittlicher Druck auf jeden Kolben 21 wirken kann, was mehr Kraft liefert, um jeden Kolben 21 in seinem jeweiligen Zylinder 14 anzutreiben und die Kurbelwelle 30 zu drehen. Es wird angenommen, dass die vergleichsweise kleinere Größe der zerstäubten Brennstofftröpfchen aus den Zumessöffnungen 22 im Vergleich zu herkömmlich bemessenen Zumessöffnungen die Zündung und die gesamte Verbrennung im Vergleich zu den größeren Brennstofftröpfchen in einer herkömmlichen Konstruktion verbessert. Das Sprühmuster aus jeder Einspritzvorrichtungszumessöffnung kann einen solchen Sprühwinkel und ein solches internes Brennstoff/Luft-Verhältnisse haben, dass die Vermischung mit der Ladungsluft viel schneller sein kann. Entsprechend kann dies gestatten, dass sowohl eine größere absolute Brennstoffmenge verbrannt wird als auch dies gestatten kann, dass der Brennstoff schneller verbrennt und leichter zündet. Dies kann auch gestatten, dass ein größerer Anteil des eingespritzten Brennstoffes verbrennt als in früheren Konstruktionen. Der höhere Einspritzdruck, der erwartungsgemäß in Verbindung mit den kleineren Zumessöffnungen verwendet wird, wird dabei helfen, die niedrigeren Flussraten der kleineren Zumessöffnungen zu kompensieren, und wird auch dabei helfen, Brennstoff und Luft zu vermischen, ohne wesentlich die Eindringungstiefe des Brennstoffes zu beeinflussen. Im Allgemeinen kann somit die Kombination von kleineren Zumessöffnungen und höherem Druck eine bessere Verbrennung gestatten, bevor eine Wandbenetzung und die damit assoziierte Verschlechterung der Verbrennung erreicht wird.
Zweitens können bei der gegebenen inhärent begrenzten Zeit, in der der eingespritzte Brennstoff verbrennen muss, die vergleichsweise kleineren Brennstofftröpfchen und das niedrigere Verhältnis von Brennstoff zur Luft in der Brennstoffsprühwolke, die im Motor 10 verfügbar ist, gestatten, dass die Brennstoffeinspritzung und die Verbrennung schneller stattfinden, was vergleichsweise schnellere Kolbenhubgeschwindigkeiten und entsprechend größere Motorumdrehungen pro Minute gestattet. Die Kombination von vergleichsweise höherem mittleren effektiven Druck BMEP und höherem U/min gestattet, dass der Motor 10 mit vergleichsweisehöherer Leistung arbeitet, und daher mit einer höheren Leistungsdichte als bei vielen zuvor verfügbaren Motorkonstruktionen mit kleiner Zylinderbohrung.
Gewisse frühere Motoren mit kleiner Zylinderbohrung konnten den im Motor 10 möglichen mittleren effektiven Druck annähern, jedoch nicht ohne Nachteile bei anderen Betriebsparametern. Um ausreichend Brennstoff während jedes Leistungshubes zu verbrennen, um den höheren mittleren effektiven Druck zu erreichen, haben viele frühere Motoren typischerweise bei niedrigeren Umdrehungen pro Minute gearbeitet als der Motor 10. In einem Versuch, mehr Brennstoff in jeden Zylinder für jeden Zündungshub zu bringen und den mittleren effektiven Druck zu steigern, wird in manchen bekannten Betriebsschemata übermäßig viel Brennstoff zu jedem Zylinder geliefert. Wo ein Übermaß an Brennstoff verfügbar gemacht wird, können jedoch die Mengen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Ruß und anderen Verunreinigungen so hoch sein, dass sie den Betrieb nicht wünschenswert und in vielen Umgebungen ineffizient machen. Beispielsweise kann eine sichtbare „Rauchsignatur" bei gewissen Militäranwendungen nicht wünschenswert sein.
In ähnlicher Weise sind gewisse frühere Motorkonstruktionen mit kleiner Bohrung bekannt, die mit einer U/min arbeiten, die sich jener des Motors 10 annähern, jedoch nicht ohne ihren eigenen Satz von Nachteilen. Bei solchen Motoren mit vergleichsweise höherer U/min tendiert der mittlere effektive Druck dazu, niedriger zu sein, da kleinere Brennstoffeinspritzmengen, die eingespritzt werden, um übermäßig viel Ruß und die Verschwendung von Brennstoff zu vermeiden. Als eine Folge können solche Motoren mit relativ hohen Umdrehungen pro Minute arbeiten, jedoch kann unzureichend Brennstoff während jedes Leistungshubes verbrannt werden, um einen höheren mittleren effektiven Druck zu erreichen. Bei jeder früheren Konstruktion/Anordnung ist die verfügbare Leistung des Motors vergleichsweise niedriger als bei ähnlichen Motoren von größerer Größe, und die Leistungsdichte von solchen kleineren Motoren tendiert dazu, niedriger zu sein, als dass, was sie in der Theorie bezüglich ihrer gegebenen kleineren Größe sein könnte.
Die Motorleistung ist direkt proportional sowohl zu den U/min als auch dem BMEP, daher gestattet die Fähigkeit des Motors 10, sowohl mit vergleichsweise hoher U/min als auch hohem BMEP zu arbeiten, dass die gesamte verfügbare Leistung des Motors 10 beträchtlich größer als bei zuvor bekannten Konstruktionen ist. Bei der gegebenen relativ kleinen Größe des Motors 10 kann seine Leistungsdichte besser zu seiner tatsächlichen Größe passen, und der Motor 10 kann besser Vorteil aus seiner kleinbemessenen Konstruktion als bei früheren Motoren ziehen.
Der Motor 10 sieht noch weiterhin Vorteile gegenüber bekannten Konstruktionen vor, die mit der verbesserten einfachen Zündung des Brennstoffes in Beziehung stehen, der durch die Zumessöffnung 22 eingespritzt wird. Während Kaltstartbedingungen verwenden viele bekannte verdichtungsgezündete Motoren externe Wärmequellen oder die Zugabe von brennbaren Verbindungen, wie beispielsweise Äther, um anfänglich den Betrieb zu beginnen. In einer verdichtungsgezündeten Version des Motors 10 kann die Notwendigkeit von diesen und ähnlichen Starthilfen gegenüber früheren Konstruktionen verringert oder eliminiert werden, da die kleineren Brennstofftröpfchen und das niedrigere Brennstoff/Luft-Verhältnis in der Brennstoffsprühwolke dazu tendieren, die Zündung leichter auftreten zu lassen.
Weitere Vorteile des Motors 10 beziehen sich auf seine Fähigkeit, ruhig Brennstoff und Luft in gewissen in Betracht gezogenen Ausführungsbeispielen zu vermischen. Dieser Ansatz steht in Kontrast mit den meisten, wenn nicht allen, früheren Konstruktionen mit kleiner Zylinderbohrung, wo eine „Verwirbelungsmischung" nötig war, um die Ladung der frischen Luft mit dem eingespritzten Brennstoff zu vermischen. Die Verwirbelungsmischung fordert eine Verwirbelung der Luftladung, die zum Zylinder geliefert wird, in erster Linie über eine geeignete Geometrie des Lufteinlasssystems oder der Turbolader- und Zylinderanschlüsse. Im Gegensatz dazu wird eine ruhige Vermischung üblicherweise in größeren Motorkonstruktionen verwendet, wo das einfache Sprühen des Brennstoffes in unverwirbelte Luft eine ausreichende Vermischung vorsehen wird. Eine ruhige Mischung kann auch den Vorteil haben, weniger Wärme vom Brennraum auf die Zylinderwände, den Kopf und den Kolben während der Verbrennung zu übertragen, und wird entsprechend gestatten, dass mehr Wärmeenergie in (Ausgangs-)Wellenleistung umgewandelt wird und nicht auf das Kühlmittel durch die Zylinderwände, den Kopf und den Kolben übertragen wird.
Noch weitere Vorzüge beziehen sich auf die Brennstoffausnutzung des Motors 10 genauso wie auf seine vergleichsweise niedrigeren Emissionen. Die Verbrennung von einem größeren Teil des eingespritzten Brennstoffes gestattet, dass die relative Menge der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die aus dem Motor 10 ausgestoßen wird, verringert wird, was möglich macht, dass seine Brennstoffverwendung verbessert wird. In einigen in Betracht gezogenen Ausführungsbeispielen, wie beispielsweise bei gewissen Flugzeugen, kann das Gewicht ein vorherrschender Betrachtungspunkt sein. Somit sind beim Motor 10 die Masse und die Größe des Motors selbst vergleichsweise nicht kleiner, sondern die Brennstoffmenge, die über einen vorgegebenen Reisebereich mitgeführt werden muss, wird reduziert. Zusätzlich kann der relativ höhere Anteil des verbrannten Brennstoffes den Ruß reduzieren, der während des Betriebs ausgestoßen wird. Es gab die Wahrnehmung, dass Dieselmotoren vergleichsweise große Mengen des sichtbaren Rußes ausstoßen. Ästhetische Betrachtungen, Überlegungen bezüglich der Umwelt und in gewissen Fällen taktische Betrachtungspunkte, wie beispielsweise bei Militärfahrzeugen, können das Minimieren des sichtbaren Rauchs wünschenswert oder unbedingt notwendig machen. Der Motor 10 wird typischerweise im wesentlichen ohne Rauch arbeiten können, wobei er beispielsweise einen Rauch-Bosch-Zahl 3 oder weniger für einen transienten Betrieb und 2 oder weniger für einen Betrieb im stetigen Zustand hat. Ein Mittel zur Bemessung des Rauchgehaltes des Motorabgases ist ein „Rauchmesser" für die Undurchsichtigkeit des Abgases, wie beispielsweise der Bosch ESA 110 – computergesteuerter Rauchmesser, der von Equipment Supplies of Biddulph, Biddulph, Staffs, England und anderen kommerziellen Lieferanten verfügbar ist.
Mit Bezug auf 3 ist dort eine Kurvendarstellung der Betriebszone von verschiedenen unterschiedlichen Sätzen von herkömmlichen Dieselmotoren im Vergleich zu der Betriebszone Z des Motors 10 und entsprechende Lagen der Motoren M und U der vorrangegangen Tabelle gezeigt. Die Y-Achse stellt den mittleren durchschnittlichen Druck BMEP dar, während die X-Achse die Umdrehung pro Minute U/min darstellt. In 1 stellt der Satz P eine Gruppe von relativ schweren Dieselmotoren mit einem mittleren effektiven Druck zwischen ungefähr 250 PSI und ungefähr 325 PSI dar. Die Motoren des Satzes P können vergleichsweise kleinere Dieselmotoren aufweisen, wie beispielsweise klein bemessene Leistungsgeneratoren, mittelgroß bemessene Motoren, wie sie beispielsweise in Lastwägen oder Geländearbeitsmaschinen zu finden sein können, und große Dieselschiffsmotoren oder Dieselleistungserzeugungsmotoren. Der Bereich der Umdrehungen pro Minute bei den Motoren des Satzes P tendiert dazu, zwischen ungefähr 1000 U/min und ungefähr 2500 U/min zu sein. Der Satz Q weist Motoren auf, wie sie beispielsweise von herkömmlichen Pickup-Lastwägen. bekannt sind, und zwar mit vergleichsweise höheren U/min, jedoch niedrigerem mittleren effektiven Druck als jene des Satzes P. Der Satz R weist Motoren auf, wie beispielsweise gewisse Militärfahrzeuge, die einen mittleren effektiven Druck zwischen ungefähr 350 PSI und ungefähr 400 PSI haben, und die U/min zwischen ungefähr 3000 und ungefähr 4000 haben. Der Satz S weist wiederum derartige Motoren auf, wie sie in vielen europäischen Personenkraftwägen verwendet werden können. Der Satz T weist Motoren auf, wie sie gewissen Militär-Motorradmotoren und Motoren verwendet werden, die für unbekannte Luftfahrzeuge vorgeschlagen werden, und zwar mit einem mittleren effektiven Druck zwischen ungefähr 150 PSI und 175 PSI und Umdrehungen pro Minute zwischen ungefähr 5500 und ungefähr 6000. Wie in 3 veranschaulicht, weist die Betriebszone des Motors 10 einen höheren mittleren effektiven Druck und höhere U/min in Kombination mit irgendeiner anderen bekannten Motorbauart oder Motorgruppe auf. Das Anheben der Grenzen der Motorumdrehungen pro Minute über jene von bekannten Motoren, insbesondere Dieselmotoren, und das Anheben des erreichbaren mittle ren effektiven Druckes BMEP, wie hier beschrieben, kann somit einen relativ kleinen leichtgewichtigen und leistungsfähigen Motor liefern. Der Punkt V in 3 stellt ein mögliches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung dar, welches einen mittleren effektiven Druck von ungefähr 400 PSI oder mehr und Umdrehungen pro Minute zwischen ungefähr 6000 U/min und ungefähr 6500 U/min erreichen kann.
Die vorliegende Beschreibung ist nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen und soll nicht vorgesehen sein, um den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einzuschränken. Somit wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen an den gegenwärtig offenbarten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden könnten, ohne vom beabsichtigten Kern und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Während beispielsweise viele der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit sowohl erhöhtem mittleren effektiven Druck als auch erhöhten Umdrehungen pro Minute besprochen wurden, wird der Fachmann erkennen, dass es bei gewissen Anwendungen wünschenswert sein kann, einen Motor zu betreiben, wobei nur die Umdrehungen pro Minute oder der mittlere effektive Druck im Vergleich zu herkömmlichen Motoren beträchtlich erhöht wurden. Es sei bemerkt, dass der Satz Z der 3 einen relativ breiten Betriebsbereich von sowohl dem mittleren effektiven Druck als auch den Umdrehungen pro Minute umfasst. Motoren mit kleiner Zylinderbohrung können gemäß der vorliegenden Offenbarung ausgelegt sein, die mit relativ hohen Umdrehungen pro Minute von mindestens ungefähr 7500 arbeiten können jedoch mit einem mittleren effektiven Druck BMEP von nicht mehr als ungefähr 200 PSI. In ähnlicher Weise können Motoren mit höherem mittleren effektiven Druck, jedoch mit vergleichsweise niedrigeren Umdrehungen pro Minute für andere Anwendungen wünschenswert sein. Die direkte proportionale Beziehung von sowohl den Umdrehungen pro Minute als auch dem mittleren effektiven (Grenz-)Druck mit der Leistung gestattet somit eine beträchtliche Flexibilität bei der Konstruktion von direkt einspritzenden Motoren mit relativ hoher Leistungsdichte und einer Zylinderbohrung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Noch weitere Ausführungsbeispiele werden in Betracht gezogen, wobei die Größe, Form, Orientierung usw. der Zumessöffnung variiert und von Zumessöffnung zu Zumessöffnung bei einer gegebenen Einspritzvorrichtungsspitze variieren kann. Dies weist beispielsweise die Verwendung einer Vielzahl von ultra-kleinen Zumessöffnungen und einer Vielzahl von größeren herkömmlich bemessenen Zumessöffnungen auf, wobei die individuelle geometrische Form und Orientierung variieren, um eine einfache oder komplexe Anordnung von Zumessöffnungen zu erzeugen, um das beste Gesamtsprühmuster vorzusehen. Somit muss es keine spezielle Größe oder irgendeine spezielle Anzahl oder Anordnung von Zumessöffnungen mit ultra-kleinem Loch geben, solange eine ausreichende Anzahl vorgesehen ist, um die erwünschten Betriebscharakteristiken aufzuprägen, wie hier beschrieben. Andere Aspekte, Ziele und Vorteile werden bei einer Untersuchung der beigefügten Figuren und der angehängten Ansprüche offensichtlich sein.

Claims

Verbrennungsmotor, der Folgendes aufweist: ein Motorgehäuse mit mindestens einem Zylinder, wobei der Zylinder einen Durchmesser hat, der geringer als ungefähr 3 Inch ist; und eine Berennstoffeinspritzvorrichtung, die zumindest teilweise in dem mindestens einen Zylinder angeordnet ist, wobei die Brennstoffeinspritzvorrichtung eine Vielzahl von Auslasszumessöffnungen mit einem Durchmesser zwischen ungefähr 50 Mikrometern und ungefähr 110 Mikrometern hat.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei das Motorgehäuse eine Vielzahl von Zylindern aufweist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Zylindern mindestens 8 Zylinder aufweist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, der eine Vielzahl von Kolben aufweist, wobei jeder der Kolben zumindest teilweise in einem der Zylinder angeordnet ist und eine Hubdistanz zwischen ungefähr 2 Inch und ungefähr 3 Inch hat.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, wobei jeder der Zylinder einen Durchmesser zwischen ungefähr 2,5 Inch und ungefähr 3,0 Inch hat.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, der eine Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen aufweist, wobei jede der Brennstoffeinspritzvorrichtungen zumindest teilweise in einem der Zylinder angeordnet ist und eine Vielzahl von Auslasszumessöffnungen mit einem Durchmesser zwischen ungefähr 60 Mikrometern und ungefähr 90 Mikrometern aufweist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei die Vielzahl von Zylindern zwölf Zylinder aufweist, in einem V-Muster angeordnet sind, wobei jeder der Zylinder einen Durchmesser zwischen ungefähr 2,5 Inch und ungefähr 2,8 Inch hat; wobei die Vielzahl von Kolben zwölf Kolben aufweist, wobei jeder der Kolben eine Hubdistanz von weniger als ungefähr 3,0 Inch hat; und wobei die Vielzahl von Brennstoffeinspritzvorrichtungen 12 Brennstoffeinspritzvorrichtungen aufweist, wobei jede der Brennstoffeinspritzvorrichtungen mehr als ungefähr 10 Auslasszumessöffnungen hat.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors das folgende Schritte aufweist: Drehen einer Motorkurbelwelle mit einer Drehzahl von mehr als ungefähr 5000 Umdrehungen pro Minute, wobei die Kurbelwelle mit einer Vielzahl von Kolben gekoppelt ist, die jeweils zumindest teilweise in einem Motorzylinder mit einem Durchmesser von weniger als ungefähr 3 Inch hin und her zu bewegen ist; und Einspritzen einer Menge von flüssigem Brennstoff in jeden der Zylinder zumindest einmal alle vier Hübe des damit assoziierten Kolbens; und Verbrennen einer ausreichenden Menge von flüssigem Brennstoff in jedem Zylinder zumindest bei jedem vierten Kolbenhub um einen mittleren effektiven (Grenz-)Druck von mindestens ungefähr 200 Pfund pro Quadratinch zu erhalten.