DE102009009485B4

DE102009009485B4 - Motoranordnung mit Direkteinspritzungs-Flussgeometrie bei Funkenzündung für eine verbesserte Verbrennung

Info

Publication number: DE102009009485B4
Application number: DE102009009485.7A
Authority: DE
Inventors: Akram R. Zahdeh
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: CN101514653B; US7565893B2; DE102009009485A1; US20090064964A1; CN101514653A

Abstract

Motoranordnung (10) mit:einem Motorblock (32), der eine Zylinderbohrung (44) definiert;einem Kolben (34), der in der Zylinderbohrung (44) zur Ausführung einer Hubbewegung zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt beweglich angeordnet ist, wobei der Kolben (34) und die Zylinderbohrung (44) teilweise eine Verbrennungskammer (50) definieren;Fremdzündung (56); undeiner Kraftstoffanlage (16) mit Direkteinspritzung, die eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (52) aufweist, die während des Ansaughubs einen Kraftstofffluss (54) in die Verbrennungskammer (50) liefert, wobei der Kraftstofffluss (54) eine Fahne (68) mit einem Winkelbereich (θ4) bildet;dadurch gekennzeichnet , dassder Fahne (68) ein eingespritztes Kraftstoffvolumen zugeordnet ist, von dem die Fahne (68) bis zum Auftreffen derselben auf der Oberfläche (46) des Kolbens (34) während zumindest der ersten Hälfte des Ansaughubs mindestens 30 Prozent hält.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Motorkraftstoffanlagen und insbesondere eine Motoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie beispielsweise aus der AT 006 104 U1 bekannt.
HINTERGRUND
Aus den Druckschriften DE 39 43 816 C2 , DE 100 43 384 A1 , DE 101 22 350 B4 , DE 101 24 750 A1 , DE 103 41 111 B4 , DE 10 2004 007 408 A1 , DE 10 2005 001 698 A1 und DE 199 48 073 A1 sind Brennkraftmaschinen mit Direkteinspritzung und Fremdzündung bekannt geworden, die als Einspritzdüse eine Mehrlochdüse verwenden.
Die Druckschriften DE 101 08 945 A1 und DE 10 2004 041 031 A1 setzen sich mit der konstruktiven Ausgestaltung von Einspritzventilen auseinander, ohne dabei jedoch einen Bezug zu einer Ventilhubbewegung herzustellen. Insbesondere beschränkt sich die Offenbarung dieser Druckschriften auf die Selbstverständlichkeit, derzufolge sich das gesamt einzuspritzende Kraftstoffvolumen zu gleichen Anteilen auf die vorhandenen Öffnungen der jeweiligen Einspritzeinrichtung verteilt.
Kraftstoffanlagen mit Direkteinspritzung können die Einspritzung von Kraftstoff direkt in eine Motor-Zylinderbohrung zur Verbrennung darin aufweisen. Die Art und Weise, in der der Kraftstoff in den Zylinder gespritzt wird, kann die Abgabe des Kraftstoffs in der Zylinderbohrung steuern. Letztendlich beeinflusst die Kraftstoffabgabe das Verbrennungsereignis.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Motoranordnung zu schaffen, bei der die Kraftstoffeinspritzung in Bezug auf die Verbrennungsstabilität optimiert ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird mit einer Motoranordnung gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Weitere Anwendungsgebiete werden anhand der nachfolgenden Beschreibung deutlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Motoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine schematische Schnittansicht des Motors, der Kraftstoffanlage und der Zündanlage der Motoranordnung von 1; und
3 ist eine alternative schematische Schnittansicht des Motors, der Kraftstoffanlage und der Zündanlage der Motoranordnung von 1.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich von selbst, dass in allen Zeichnungen übereinstimmende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
Nun auf 1 Bezug nehmend wird eine beispielhafte Motoranordnung 10 schematisch dargestellt. Die Motoranordnung 10 kann einen Motor 12 aufweisen, der mit einer Ansauganlage 14, einer Kraftstoffanlage 16, einer Zündanlage 18 und einer Abgasanlage 20 in Verbindung steht. Die Ansauganlage 14 kann einen Ansaugkrümmer 22 aufweisen, der einen Luftstrom (durch Pfeil 25 angezeigt) in den Motor 12 liefert. Die Kraftstoffanlage 16 kann einen Kraftstofffluss in den Motor 12 steuern, und die Zündanlage 18 kann das Luft-Kraftstoff-Gemisch entflammen, das von der Ansauganlage 14 und der Kraftstoffanlage 16 zu dem Motor 12 geliefert wird. Die Abgasanlage 20 kann einen Abgaskrümmer 26 aufweisen, der in Verbindung mit einem Abgas (durch Pfeil 27 angezeigt) steht, das durch das Entflammen des Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugt wird. Obwohl der Motor 12 als ein Vierzylinder-Reihenmotor dargestellt ist, versteht es sich von selbst, dass die Anordnung des Motors 12 rein beispielhafter Natur ist, und die vorliegende Offenbarung gilt für eine Vielzahl von Motorkonfigurationen mit einer beliebigen Anzahl von Zylindern und Anordnungen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Reihen- und V-Motoren.
Zusätzlich auf 2 und 3 Bezug nehmend kann der Motor 12 einen Kopf 28, einen Ventiltrieb 30, einen Block 32 und einen Kolben 34 aufweisen. Der Kopf 28 kann einen Einlass- und Auslassschlitz 36, 38 aufweisen, die in Verbindung mit dem Ansaug- und Abgaskrümmer 22 bzw. 26 stehen. Der Ventiltrieb 30 kann ein Ansaug- und Abgasventil 40, 42 aufweisen. Das Ansaugventil 40 kann in dem Einlassschlitz 36 angeordnet sein, und das Abgasventil 42 kann in dem Auslassschlitz 38 angeordnet sein. Das Ansaug- und Abgasventil 40, 42 können zwischen einer offenen und geschlossenen Position durch einen Eingriff mit einer Nockenwelle 43 verstellbar sein.
Der Block 32 kann eine Zylinderbohrung 44 mit einem darin angeordneten Kolben 34 definieren. Der Kolben 34 kann eine Oberfläche 46 mit einem Teller 48 aufweisen, der eine Aussparung darin definiert. Alternativ kann die Oberfläche 46 im Allgemeinen flach sein oder kann eine konvexe Form haben. Der Kolben 34 kann in der Zylinderbohrung 44 zur Verstellung zwischen einer Oberer-Totpunkt- (OT) Position und einer Unterer-Totpunkt- (UT) Position angeordnet sein. Insbesondere kann die Verstellung des Kolbens 34 einen Ansaughub, einen Verdichtungshub, einen Arbeitshub und einen Auspuffhub umfassen.
Während des Ansaughubs kann sich das Ansaugventil 40 in einer offenen Position befinden (gesehen in 2 und 3). Der Kolben 34 kann während des Ansaughubs von einer ersten Position (2) in eine zweite Position (3) verstellbar sein. Die zweite Position kann im Anschluss an die erste Position während des Ansaughubs erfolgen. Die erste Position kann im Allgemeinen einer Position zwischen OT (Beginn des Ansaughubs) und einer Position, die 30 Prozent des Ansaughubs entspricht, entsprechen. Die zweite Position kann einer Position zwischen 70 Prozent des Ansaughubs und UT (Ende des Ansaughubs) entsprechen.
Der Kopf 28, die Zylinderbohrung 44 und der Kolben 34 können im Allgemeinen eine Verbrennungskammer 50 für den Motor 12 definieren. Die Kraftstoffanlage 16 kann eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 52 aufweisen, die sich in den Kopf 28 erstreckt und daran befestigt ist. Die Einspritzeinrichtung 52 kann in einem Winkel θ1 relativ zu einer Ebene senkrecht zu der Zylinderbohrung 44 angeordnet sein. Der Winkel θ1 kann im Allgemeinen zwischen 15 und 30 Grad betragen. Zum Beispiel kann θ1 ungefähr 23 Grad betragen. Die Einspritzeinrichtung 52 kann einen Kraftstofffluss 54 zu der Verbrennungskammer 50 liefern. Die Zündanlage 18 kann eine Zündkerze 56 aufweisen, die sich in die Verbrennungskammer 50 erstreckt und das Luft-Kraftstoff-Gemisch darin selektiv entflammt.
Der Kraftstofffluss 54 kann ein Flussbild aufweisen, das eine Mittelachse 58 und einen Außenrand einschließlich eines radial inneren und äußeren Abschnitts 60, 62 definiert. Das Flussbild des Kraftstoffflusses 54 kann im Allgemeinen konisch sein. Der radial innere Abschnitt 60 kann im Allgemeinen an einem Abschnitt des Kraftstoffflusses 54 benachbart zu einem Abschnitt der Zylinderbohrung 44 definiert sein, der im Allgemeinen mit der Einspritzeinrichtung 52 umlaufend ausgerichtet ist. Der radial äußere Abschnitt 62 kann im Allgemeinen gegenüber dem radial inneren Abschnitt 60 definiert sein.
Während des Ansaughubs kann die Einspritzeinrichtung 52 beginnen, den Kraftstofffluss 54 bereitzustellen, wenn sich der Kolben 34 in der ersten Position ( 2) befindet, und kann die Kraftstoffeinspritzung beenden, wenn sich der Kolben 34 in der zweiten Position (3) befindet. Alternativ kann die Einspritzeinrichtung 52 zusätzlich fortfahren, Kraftstoff über UT des Ansaughubs hinaus und in den Verdichtungshub zu liefern. Der Kraftstofffluss 54 kann in Richtung der Oberfläche 46 gelenkt werden, wenn sich der Kolben 34 in der ersten Position befindet, und wenn sich der Kolben 34 in der zweiten Position befindet. Insbesondere kann der Kraftstofffluss 54 in Richtung des Tellers 48 gelenkt werden, wenn sich der Kolben 34 in der ersten Position befindet, und wenn sich der Kolben 34 in der zweiten Position befindet. Der Kraftstofffluss 54 kann direkt auf die Oberfläche 46 des Kolbens 34 auftreffen, wenn sich der Kolben 34 in der ersten Position befindet, und wenn sich der Kolben 34 in der zweiten Position befindet. Insbesondere kann der Kraftstofffluss 54 während des ganzen Ansaughub-Einspritzereignisses direkt auf die Oberfläche 46 auftreffen.
Alternativ gesagt, die Mittelachse 58 kann die Oberfläche 46 und insbesondere den Teller 48 schneiden, wenn sich der Kolben 34 in der ersten Position befindet, und wenn sich der Kolben 34 in der zweiten Position befindet. Die Mittelachse 58 kann sich in einem Winkel θ2 relativ zu dem Abschnitt der Zylinderbohrung 44 erstrecken, der umlaufend mit der Einspritzeinrichtung 52 ausgerichtet ist. Der Winkel θ2 kann im Allgemeinen zwischen 25 und 40 Grad betragen. Zum Beispiel kann θ2 ungefähr 33 Grad betragen.
Des Weiteren können Achsen 64, 66, die sich entlang des radial inneren und äußeren Abschnitts 60 bzw. 62 erstrecken, die Oberfläche 46 und insbesondere den Teller 48 schneiden, wenn sich der Kolben 34 in der ersten Position befindet, und wenn sich der Kolben 34 in der zweiten Position befindet. Insbesondere kann sich die Achse 64 in einem Winkel θ3 relativ zu dem Abschnitt der Zylinderbohrung 44 erstrecken, der umlaufend mit der Einspritzeinrichtung 52 ausgerichtet ist. Der Winkel θ3 kann im Allgemeinen zwischen 5 und 25 Grad betragen. Zum Beispiel kann θ3 ungefähr 16 Grad betragen. Als solches kann der Kraftstofffluss 54 während des ganzen Ansaughub-Einspritzereignisses in Richtung der Oberfläche 46 und insbesondere des Tellers 48 gelenkt werden und nicht direkt in Richtung der Zylinderbohrung 44.
Des Weiteren kann der Kraftstofffluss 54 von dem Ansaugventil 40 weg gelenkt werden, während sich das Ansaugventil 40 während des Ansaughubs in der offenen Position befindet. Der Außenrand des Kraftstoffflusses 54 benachbart zu dem Ansaugventil 40 kann davon beabstandet sein. Insbesondere kann der radial äußere Abschnitt 62 von dem Ansaugventil 40 radial nach außen beabstandet sein, wenn sich das Ansaugventil 40 in der offenen Position befindet. Daher kann die Mittelachse 58 auch von dem Ansaugventil 40 beabstandet sein. Als solches kann der Kraftstofffluss 54 von dem Ansaugventil 40 und der Zylinderbohrung 44 weg gelenkt werden und kann im Allgemeinen in Richtung der Oberfläche 46 des Kolbens 34 gelenkt werden.
Der Kraftstofffluss 54 kann eine Reihe von Fahnen 68 aufweisen, die das im Allgemeinen konische Flussbild bilden. Die Fahnen 68 können jeweils einen Winkelbereich des Winkels θ4 aufweisen und können jeweils Ränder aufweisen, die von einander beabstandet sind, um dazwischen einen Luftzwischenraum bereitzustellen. Der Winkel θ4 kann im Allgemeinen weniger als oder gleich 10 Grad betragen und insbesondere zwischen 5 und 10 Grad. Zum Beispiel kann θ4 ungefähr 7 Grad betragen. Der Kraftstofffluss 54 kann einen Schirmwinkel θ5 aufweisen, der einen Winkelbereich des Kraftstoffflusses 54 definiert. Der Schirmwinkel θ5 kann im Allgemeinen als der Winkel zwischen dem radial inneren und äußeren Abschnitt 60, 62 definiert werden. Der Schirmwinkel θ5 kann im Allgemeinen weniger als oder gleich 40 Grad betragen und insbesondere zwischen 25 und 40 Grad. Zum Beispiel kann θ5 ungefähr 33 Grad betragen.
Die Kombination des Winkels θ2 der Mittelachse 58 und des Schirmwinkels θ5 kann im Allgemeinen die Zielrichtung des Kraftstoffflusses 54 in Richtung der Oberfläche 46 des Kolbens 34 bereitstellen. Die Kombination der Winkel θ2, θ5 kann auch den Abstand zwischen dem Kraftstofffluss 54 und dem Ansaugventil 40 während des Ansaughubs bereitstellen. Die Eigenschaften der Fahnen 68 können zusätzlich zu der vorstehend erörterten Zielrichtung und zu dem vorstehend erörterten Abstand beitragen.
Die Fahnen 68 können jeweils eine Fluidgeschwindigkeit haben, die größer ist als die durchschnittliche Geschwindigkeit des Kolbens 34 während des Ansaughubs für eine vorgegebene Motordrehzahl. Zum Beispiel kann die Fluidgeschwindigkeit der Fahnen 68 größer sein als die durchschnittliche Geschwindigkeit des Kolbens 34, wenn der Motor 12 bei Drehzahlen, die höher als 2000 Umdrehungen je Minute sind, und insbesondere bei Drehzahlen, die höher als 4000 Umdrehungen je Minute sind, arbeitet.
Die Kombination des Fahnenwinkels θ4 und der einer jeden Fahne 68 zugehörigen Kraftstoffflussgeschwindigkeit kann die Intaktheit der Fahnen 68 aufrechterhalten. Der Fahnenwinkel θ4 und die Kraftstoffflussgeschwindigkeit können die Diffusion des in jeder Fahne enthaltenen Kraftstoffs in die umgebende Verbrennungskammer 50 unterdrücken. Die Fahnen 68 können jeweils mindestens 50 Prozent ihres jeweiligen eingespritzten Kraftstoffvolumens des Kraftstoffflusses 54 bis zu einer Stelle in der Zylinderbohrung 44 festhalten, die 50 Prozent des Ansaughubs entspricht. Insbesondere können die Fahnen 68 mindestens 30 Prozent des eingespritzten Kraftstoffvolumens des Kraftstoffflusses 54 bis zu einer Stelle in der Zylinderbohrung 44 festhalten, die 80 Prozent des Ansaughubs entspricht. Das Festhalten von Kraftstoff in den Fahnen 68 kann im Allgemeinen das Festhalten in dem Fahnenwinkel θ4 für eine vorgegebene Fahne 68 umfassen. Somit können die Fahnen 68 im Allgemeinen eine Strecke in die Verbrennungskammer 50 hinein intakt bleiben, anstatt dass sich der Kraftstofffluss 54 in der Verbrennungskammer 50 zerstreut.
Insbesondere können die Fahnen 68 jeweils mindestens 50 Prozent des eingespritzten Kraftstoffvolumens des Kraftstoffflusses 54 festhalten, bis sich ein Auftreffen zwischen der Oberfläche 46 des Kolbens 34 und den Fahnen 68 ereignet, wenn sich der Kolben 34 in einer Position in der Zylinderbohrung 44 befindet, die 50 Prozent des Ansaughubs entspricht. Die Fahnen 68 können jeweils mindestens 30 Prozent des eingespritzten Kraftstoffvolumens des Kraftstoffflusses 54 festhalten, bis sich ein Auftreffen zwischen der Oberfläche 46 des Kolbens 34 und den Fahnen 68 ereignet, wenn sich der Kolben 34 in einer Position in der Zylinderbohrung 44 befindet, die 80 Prozent des Ansaughubs entspricht.
Daher können mindestens 50 Prozent des Kraftstoffvolumens, das mit jeder der Fahnen 68 in Zusammenhang steht, und somit der Kraftstofffluss 54 direkt auf die Oberfläche 46 des Kolbens 34 auftreffen, wenn sich der Kolben 34 in einer Position in der Zylinderbohrung 44 befindet, die 50 Prozent des Ansaughubs entspricht. Mindestens 30 Prozent des Kraftstoffvolumens, das mit jeder der Fahnen 68 in Zusammenhang steht, und somit der Kraftstofffluss 54 können direkt auf die Oberfläche 46 des Kolbens 34 auftreffen, wenn sich der Kolben 34 in einer Position in der Zylinderbohrung 44 befindet, die 80 Prozent des Ansaughubs entspricht.
Die Aufrechthaltung der Unversehrtheit der Fahnen 68 kann dabei helfen, auf die Oberfläche 46 des Kolbens 34 zu zielen. Der Winkel θ4 und die Kraftstoffflussgeschwindigkeit der Fahnen 68 können die Menge an Kraftstoff beschränken, die von der angezielten Oberfläche 46 des Kolbens 34 weg diffundiert. Der Winkel θ4 und die Kraftstoffflussgeschwindigkeit der Fahnen 68 können die Menge an Kraftstoff beschränken, die daraus in Richtung des Ansaugventils 40 während des Ansaughubs diffundiert. Die Beschränkung der Kraftstoffmenge, die sich in Richtung des Ansaugventils 40 bewegt, kann im Allgemeinen die Menge an Kraftstoffansammlung auf dem Ansaugventil 40 beschränken. Als solches wird das Verbrennungsereignis von dem Ansaugventil 40 weg verlagert, was zu einer Reduzierung der Rußanhäufung auf dem Ansaugventil 40 führt.

Claims

Motoranordnung (10) mit: einem Motorblock (32), der eine Zylinderbohrung (44) definiert; einem Kolben (34), der in der Zylinderbohrung (44) zur Ausführung einer Hubbewegung zwischen einem oberen und einem unteren Totpunkt beweglich angeordnet ist, wobei der Kolben (34) und die Zylinderbohrung (44) teilweise eine Verbrennungskammer (50) definieren; Fremdzündung (56); und einer Kraftstoffanlage (16) mit Direkteinspritzung, die eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung (52) aufweist, die während des Ansaughubs einen Kraftstofffluss (54) in die Verbrennungskammer (50) liefert, wobei der Kraftstofffluss (54) eine Fahne (68) mit einem Winkelbereich (θ4) bildet; dadurch gekennzeichnet , dass der Fahne (68) ein eingespritztes Kraftstoffvolumen zugeordnet ist, von dem die Fahne (68) bis zum Auftreffen derselben auf der Oberfläche (46) des Kolbens (34) während zumindest der ersten Hälfte des Ansaughubs mindestens 30 Prozent hält.
Motoranordnung nach Anspruch 1, bei der der Winkelbereich (θ4) weniger als oder gleich 10 Grad beträgt.
Motoranordnung nach Anspruch 1, bei der Kraftstofffluss (54) durch eine Reihe von Fahnen (68) definiert ist, die von einander beabstandet sind, wobei der Kraftstofffluss (54) einen Winkelbereich (θ5) von zwischen 25 und 40 Grad aufweist.
Motoranordnung nach Anspruch 3, bei der der Kraftstofffluss (54) ein konisches Flussbild bildet.
Motoranordnung nach Anspruch 3, bei der der Abstand zwischen den Fahnen (68) einen Luftzwischenraum zwischen benachbarten Fahnen (68) bildet.
Motoranordnung nach Anspruch 4, bei der jede der Fahnen (68) einen Winkelbereich (θ4) von zwischen 5 und 10 Grad aufweist.
Motoranordnung nach Anspruch 1, bei der die Fahne (68) eine Fluidgeschwindigkeit aufweist, die größer ist als eine durchschnittliche Geschwindigkeit des Kolbens (34), wenn der Motor mit einer Motordrehzahl von mehr als 2000 Umdrehungen pro Minute arbeitet.