DE102009053722A1 - Fuel injection method for diesel engines, involves arranging injectors at cylinder circumference in tangential manner - Google Patents

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Abstract

The fuel injection method involves arranging injectors at a cylinder circumference in a tangential manner. The fuel is injected from cylinder circumference in the direction of a combustion chamber by two or multiple injectors.

Description

Die Erfindung ist im Prinzip zur Anwendung bei allen Dieselmotoren, insbesondere aber zur Anwendung bei Gegenkolbenmotoren geeignet. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass sie keinen Zylinderkopf aufweisen. Vielmehr wird das Arbeitsgas zwischen zwei sich gegenläufig auf den inneren Totpunkt hinzu bewegenden Kolben komprimiert. Dadurch muss nicht nur der Gaswechsel durch am Zylinderumfang angeordnete Kanäle erfolgen, sondern auch der Kraftstoff muss vom äußeren Zylinderumfang her in den Brennraum eingespritzt werden. Dies erfordert im Vergleich zum konventionellen Mischvorgang eine grundsätzlich unterschiedliche Anordnung der Injektoren zur Einspritzung des Kraftstoffes. Während im Allgemeinen die Einspritzdüse oberhalb der Brennkammer in – oder nahe – der Zylinderachsenmitte angebracht ist und den Kraftstoff durch mehrere Düsenlöcher von innen nach außen verteilt, muss bei Gegenkolbendieselmotoren der Kraftstoff von außen nach innen in die Brennkammer eingebracht werden.The invention is in principle suitable for use in all diesel engines, but in particular for use in opposed piston engines. These are characterized in that they have no cylinder head. Instead, the working gas is compressed between two pistons which move in opposite directions to the inner dead center. As a result, not only does the gas exchange have to take place through channels arranged on the circumference of the cylinder, but also the fuel has to be injected into the combustion chamber from the outer cylinder circumference. This requires in comparison to the conventional mixing process a fundamentally different arrangement of the injectors for injection of the fuel. While generally the injector is mounted above or near the center of the cylinder axis above the combustion chamber and distributes the fuel through several nozzle holes from inside to outside, in counterbalanced diesel engines the fuel must be introduced into the combustion chamber from outside to inside.

Um den bei modernen Motoren im Interesse niedriger Abgasemissionen angestrebten homogenen Mischvorgang zu erreichen, sind die Mittel bei Motoren mit mittigen oder mittennah angeordneten Einspritzorganen oberhalb der Brennkammer stark eingeschränkt. Erst gegen Ende des Einspritzvorganges liegt ein nahezu stöchiometrisches Gemisch vor. Zu Beginn der Einspritzung ist das Gemisch noch zu mager. Durch eine Vormischung vor Beginn der Zündung, beispielsweise durch eine nicht zündende Voreinspritzung, kann dieser Mangel nur teilweise behoben werden. Auch eine sehr kurze Einspritzzeit, die schon kurz nach Einsetzen der Verbrennung den Mischvorgang beendet hat, lässt sich nur bedingt realisieren, da sie entweder (aus anderen Gründen nachteilige) große Einspritzlöcher erfordert oder einen sehr hohen Einspritzdruck. Bessere Chancen bietet ein Brennverfahren, bei dem der Kraftstoff von außen dem Brennraum zugeführt wird und somit in günstiger Weise auf das Arbeitsgas verteilt werden kann.In order to achieve the desired in modern engines in the interest of low exhaust emissions homogeneous mixing process, the means for engines with central or near-center injection means above the combustion chamber are severely limited. Only towards the end of the injection process is there a nearly stoichiometric mixture. At the beginning of the injection, the mixture is still too lean. By premixing before the start of the ignition, for example by a non-igniting pilot injection, this deficiency can only be partially resolved. Even a very short injection time, which has finished the mixing process shortly after the onset of combustion, can only be realized to a limited extent because it either requires (for other reasons disadvantageous) large injection holes or a very high injection pressure. There is a better chance of a combustion process in which the fuel is supplied from the outside of the combustion chamber and thus can be distributed in a favorable manner to the working gas.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, sowohl eine kürzere Einspritzzeit zu realisieren, als auch ein möglichst homogenes Gas-Kraftstoffgemisch vor Einsetzen der Verbrennung herzustellen.The invention is therefore based on the object to realize both a shorter injection time, as well as produce a homogeneous gas-fuel mixture before the onset of combustion.

Deshalb werden erfindungsgemäß zwei oder mehrere Einspritzdüsen so im Bereich der oberen Kolbentotpunkte am Zylinderumfang angeordnet, dass ihre Einspritzstrahlen in tangentialer Richtung auf den Schwerkreis des in einem rotations-symmetrisch hergestellten Brennraum befindlichen Volumens ausgerichtet sind. Die Anordnung mehrerer Düsen ermöglicht sowohl eine zeitgleiche Einspritzung durch alle Düsen, wodurch eine kürzere Einspritzzeit erreicht wird. als auch erfindungsgemäß im Bedarfsfalle eine Einspritzung in unterschiedlicher Zeitabfolge der einzelnen Düsen. Dabei wird der Kraftstoffstrahl durch einen als Schusskanal ausgeführten Schnaupe auf der Kolbenoberseite vom Zylinderrand her zur Brennkammer geführt.Therefore, according to the invention, two or more injection nozzles are arranged in the region of the upper piston dead centers on the cylinder circumference such that their injection jets are aligned in the tangential direction to the gravity circuit of the volume located in a rotationally symmetrically produced combustion chamber. The arrangement of multiple nozzles allows both a simultaneous injection through all nozzles, whereby a shorter injection time is achieved. as well as according to the invention in case of need an injection in different time sequence of the individual nozzles. In this case, the fuel jet is guided by a spout designed as a firing channel on the piston top from the cylinder edge forth to the combustion chamber.

Bei herkömmlichen, mittig im Zylinderkopf angeordnete Düsen ist es nachteilig, dass die Düsenspitze sehr nahe an der heißesten Stelle des Brennraumes liegt, während sie sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung an den kältesten Stellen außerhalb des Brennraumes befinden. Die konventionelle Anordnung kann die heiße Temperatur jedoch nicht zur Verdampfung des Kraftstoffes nutzen, da die Strahlwurzel nahe der Düsenspitze noch zu kompakt ist und sich erst in der Nähe der kalten Brennraumwände in hoher Auflösung befindet. Demgegenüber hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass sich die Strahlauflösung umso besser wird, je weiter sie zur heißen Brennraummitte gelangt, was ebenfalls zur beschleunigten homogenen Gemischbildung beiträgt. Während beim herkömmlichen Brennverfahren die Anbringung einer zweiten Düse in der Brennraummitte aus geometrischen Gründen nicht möglich ist, können beim vorliegenden Verfahren nahezu beliebig viele Düsen am Zylinderumfang angeordnet sein. Das ermöglicht auch, mit einem sehr geringen, oder gar keinem Luftdrall eine gute Mischung zu erzielen. Dies wiederum bedeutet geringere Wärmeverluste an die Brennraumwände und damit bessere Effizienz.In the case of conventional nozzles arranged centrally in the cylinder head, it is disadvantageous that the nozzle tip lies very close to the hottest point of the combustion chamber, while in the arrangement according to the invention it is located at the coldest points outside the combustion chamber. However, the conventional arrangement can not use the hot temperature to vaporize the fuel because the jet root near the nozzle tip is still too compact and is only in high resolution near the cold combustion chamber walls. In contrast, the method of the invention has the advantage that the beam resolution gets better, the further it gets to the hot combustion chamber center, which also contributes to the accelerated homogeneous mixture formation. While in the conventional combustion method, the attachment of a second nozzle in the combustion chamber center for geometric reasons is not possible, in the present method, almost any number of nozzles can be arranged on the cylinder circumference. This also makes it possible to achieve a good mix with very little or no air swirl. This in turn means lower heat losses to the combustion chamber walls and thus better efficiency.

Bildbeschreibung:Picture description:

1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Gegenkolbenmotor. Zwei Kolben 1 und 2 bewegen sich gegenläufig in einem Motorgehäuse bestehend aus zwei Kurbelgehäusen 3 und 4 und zwei Zylinderhälften 5 und 6 die durch ein Zylindermittelteil 7 miteinander verbunden sind. Die Kolben werden angetrieben durch zwei Kurbelwellen 8 und 9, sowie die Pleuel 10 und 11. Ihre Bewegung wird durch einen Rädertrieb 12 synchronisiert. Das zentrale Rad dieses Rädertriebes ist in einem am Motorgehäuse Zylindermittelteil 7 befestigten Steuergehäuse 13 gelagert und dreht sich im Viertaktverfahren mit halber Kurbelwellendrehzahl. Es treibt eine Nockenwelle 14 an, welche sowohl Nocken für die Betätigung einer Einspritzpumpe 15 aufweist, als auch Nocken zur Steuerung des Gaswechsels von Einlass und Auslass mittels der Schiebebüchsen 16 und 17 besitzt. Durch deren Verschiebung können die ringförmigen Gaskanäle 18 und 19 unabhängig voneinander geöffnet und geschlossen werden. Die Einspritzorgane 21 befinden sich in Höhe der Mitte des Brennraumes 20 im Zylindermittelteil 7, um den Kraftstoff in den zwischen den Kolben 1 und 2 im oberen Totpunkt gebildeten Brennraum 20 einzuspritzen. Der Brennraum 20 ist rotationssymmetrisch gestaltet und sein Volumen gleichmäßig auf beide Kolben 1 und 2 verteilt. 1 shows a longitudinal section through an opposed piston engine. Two pistons 1 and 2 move in opposite directions in a motor housing consisting of two crankcases 3 and 4 and two cylinder halves 5 and 6 through a cylinder middle part 7 connected to each other. The pistons are driven by two crankshafts 8th and 9 , as well as the connecting rods 10 and 11 , Their movement is driven by a wheel drive 12 synchronized. The central wheel of this wheel drive is in one on the engine housing cylinder center 7 attached control housing 13 stored and rotates in four-stroke with half the crankshaft speed. It drives a camshaft 14 which are both cams for the operation of an injection pump 15 and cams for controlling the gas exchange of the inlet and outlet by means of the sliding bushes 16 and 17 has. By their displacement, the annular gas channels 18 and 19 be opened and closed independently of each other. The injectors 21 are at the level of the middle of the combustion chamber 20 in the cylinder middle part 7 to get the fuel in between the pistons 1 and 2 at the top dead center formed combustion chamber 20 inject. The combustion chamber 20 is rotationally symmetrical and its volume evenly on both pistons 1 and 2 distributed.

2 zeigt einen Querschnitt durch Zylindermittelteil 7. Die Frischluftzuführung 21 mündet in den Bereich eines ringförmigen Gaskanals 18. Analog hierzu wird das Abgas aus einem anderen ringförmigen Gaskanal über ein Auspuffrohr 32 abgeführt. Zur Erzeugung eines Luftdralles für den Mischvorgang tritt die Frischluftzufuhr über tangential in einen oder mehrere Gaskanäle 18 ein. In Höhe der Brennraummitte befinden sich zwei tangential in Richtung des Luftdralls in den Brennraum 20 einspritzende Düsen 23 und 24. Die Kolben weisen in Richtung zum Brennraum weisende Schnaupen 25 auf, um den Durchtritt des Kraftstoffstrahles vom Zylinderaußenrand zum Brennraum 20 zu ermöglichen. Das Strahlbild der einspritzenden Düsen mittels eines oder mehrerer Einspritzstrahlen wird so gewählt, dass die Hauptmasse des eingespritzten Kraftstoffes tangential in den Schwerkreis der rotierenden Luft im Brennraum gerichtet ist, weil sich dort auch die Hauptmasse der zu vermischenden Frischluft befindet. 2 shows a cross section through the cylinder center part 7 , The fresh air supply 21 opens into the area of an annular gas channel 18 , Analogously, the exhaust gas from another annular gas duct via an exhaust pipe 32 dissipated. To generate an air swirl for the mixing process, the fresh air supply passes tangentially into one or more gas channels 18 one. At the level of the combustion chamber, two are tangential in the direction of the air swirl in the combustion chamber 20 injecting nozzles 23 and 24 , The pistons point in the direction of the combustion chamber facing Schnaupen 25 on to the passage of the fuel jet from the cylinder outer edge to the combustion chamber 20 to enable. The jet pattern of the injecting nozzles by means of one or more injection jets is chosen so that the main mass of the injected fuel is directed tangentially into the gravity circuit of the rotating air in the combustion chamber, because there is also the main mass of the fresh air to be mixed.

3 zeigt eine Anordnung mit drei tangential angeordneten Einspritzdüsen 26, 27 und 28. Je mehr Düsen am Umfang verteilt sind, umso geringer muss der erforderlich Drall der Frischluft zur Erzeugung des Mischvorgangs sein. Grundsätzlich bietet diese Anordnung den Vorteil, dass die Einspritzung mittels mehrerer Düsen nicht zwangsläufig zum gleichen Zeitpunkt erfolgen muss, sondern auch seriell – im Interesse einer besseren homogenen Gemischbildung – ablaufen kann. 3 shows an arrangement with three tangentially arranged injection nozzles 26 . 27 and 28 , The more nozzles are distributed around the circumference, the lower the required swirl of the fresh air must be to produce the mixing process. Basically, this arrangement has the advantage that the injection by means of several nozzles does not necessarily have to be done at the same time, but also serially - in the interest of a better homogeneous mixture formation - can run.

4 zeigt die vorgenannte Anordnung mit drei tangential angeordneten Einspritzdüsen 26, 27 und 28, sowie jeder dieser Düsen zugeordnete Mischungssegmente 29, 30 und 31 im Brennraum 20. Jede der Düsen durchmischt nur das jeweils ihr zugeordnete Segment. Dies kann sowohl zeitgleich erfolgen, als auch zeitlich so abgestimmt, dass das nächste Segment erst dann durchmischt wird, wenn der Mischvorgang des davor liegenden Segmentes abgeschlossen ist. Dabei müssen weder die Düsen zwangsläufig gleichmäßig am Umfang verteilt sein, noch die Mischungssegmente gleich groß sein, noch die eingespritzte Kraftstoffmenge für alle Düsen gleich sein, noch die Zeitabstände für den Spritzbeginn der Düsen gleich lang sein. Vielmehr können alle diese Parameter individuell den Erfordernissen eines idealen Mischvorganges für den jeweiligen Betriebszustand des Motors angepasst werden, z. B. durch mehrere mechanisch angetriebene Einzel-Einspritzpumpen, oder durch elektronische Mittel und Steuerungen wie bei Common-Rail Motoren. 4 shows the aforementioned arrangement with three tangentially arranged injection nozzles 26 . 27 and 28 , as well as each of these nozzles associated mixing segments 29 . 30 and 31 in the combustion chamber 20 , Each of the nozzles mixes only the segment associated with it. This can be done both at the same time as well as in time so that the next segment is mixed only when the mixing process of the preceding segment is completed. In this case, neither the nozzles necessarily have to be evenly distributed on the circumference, nor the mixing segments be the same size, nor the injected fuel amount for all nozzles be the same, nor be the same time intervals for the injection start of the nozzle. Rather, all these parameters can be individually adapted to the requirements of an ideal mixing process for the respective operating condition of the engine, z. B. by a plurality of mechanically driven single injection pumps, or by electronic means and controls as in common rail engines.

Claims (10)

Kraftstoffeinspritzverfahren für Dieselmotoren mit tangential am Zylinderumfang angeordneten Einspritzdüsen, dadurch gekennzeichnet, dass durch zwei oder mehrere Einspritzdüsen der Kraftstoff vom Zylinderumfang in Richtung Brennraum eingespritzt wird.Fuel injection method for diesel engines with injection nozzles arranged tangentially on the circumference of the cylinder, characterized in that the fuel is injected from the cylinder circumference in the direction of the combustion chamber through two or more injection nozzles. Kraftstoffeinspritzverfahren für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmasse der eingespritzten Kraftstoffmenge tangential an den Schwerkreis des Brennraum-Volumens gerichtet ist.Fuel injection method for diesel engines, according to claim 1, characterized in that the main mass of the injected amount of fuel is directed tangentially to the gravity circuit of the combustion chamber volume. Kraftstoffeinspritzverfahren für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung durch die Einspritzdüsen nicht gleichzeitig, sondern in zeitlicher Abfolge nacheinander geschieht.Fuel injection method for diesel engines, according to claim 1 and 2, characterized in that the injection through the injection nozzles is not simultaneously, but in succession in succession. Kraftstoffeinspritzverfahren für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Düse ein Brennraum-Segment zugeordnet ist, für dessen Durchmischung sie zuständig ist, ohne dass ein Überlappen der Mischungssegmente dabei eintritt.Fuel injection method for diesel engines, according to claim 1 to 3, characterized in that each nozzle is associated with a combustion chamber segment, for which it is responsible, without an overlap of the mixture segments occurs. Kraftstoffeinspritzverfahren für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Mischvorgang für die einzelnen Brennraumsegmente nacheinander erfolgt, wobei die ersten Einspritzungen noch während des Kompressionshubes erfolgen zu einem Zeitpunkt, in dem das erzeugte Kraftstoff-Luftgemisch noch nicht zündfähig ist und erst mit der letzten Einspritzung die Kompression ausreicht, um das Gemisch zu zünden.Fuel injection method for diesel engines, according to claim 1 to 4, characterized in that the mixing process for the individual combustion chamber segments takes place successively, wherein the first injections still occur during the compression stroke at a time in which the fuel-air mixture generated is not yet ignitable and only with the last injection the compression is sufficient to ignite the mixture. Kraftstoffeinspritzverfahren für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum, in dem der Mischvorgang stattfindet, rotationssymmetrisch ausgeführt ist.Fuel injection method for diesel engines, according to claim 1 to 5, characterized in that the combustion chamber in which takes place the mixing process, is rotationally symmetrical. Kraftstoffeinspritzverfahren für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass den Einspritzdüsen jeweils eigene Einspritzpumpen zugeordnet sind, deren mechanische Betätigung mittels ihnen eigens zugeordneter Nocken auf der Nockenwelle erfolgt, so dass sowohl ein unabhängiger Einspritzbeginn, als auch eine unabhängige Einspritzmenge individuell jeder Einspritzdüse zugeführt werden kann.Fuel injection method for diesel engines, according to claim 1 to 6, characterized in that the injection nozzles are each assigned their own injection pumps whose mechanical actuation by means of their specially assigned cam on the camshaft, so that both an independent start of injection, as well as an independent injection amount fed individually to each injector can be. Kraftstoffeinspritzverfahren für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Abfolge und die Mengensteuerung der Düsen durch ein elektronisches Steuergerät mit Mitteln wie beim Common-Rail Verfahren erfolgt, so dass der jeweils günstigste Mischvorgang für das Drehzahl-Last Kennfeld in entsprechenden Mappen der Steuerung hinterlegt und gesteuert wird.Fuel injection method for diesel engines, according to claim 1 to 7, characterized in that the timing and quantity control of the nozzles by an electronic control unit with means such as the common-rail method, so that the most favorable mixing process for the Speed-load map is stored and controlled in corresponding folders of the controller. Kraftstoffeinspritzverfahren für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass es explizit bei Gegenkolbenmotoren zum Einsatz kommt.Fuel injection method for diesel engines, according to claim 1 to 8, characterized in that it is used explicitly in opposed piston engines. Kraftstoffeinspritzverfahren für Dieselmotoren, nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Brennraums, in dem der Mischvorgang stattfindet, gleichmäßig auf beide Gegenkolben aufgeteilt ist.Fuel injection method for diesel engines, according to claim 9, characterized in that the volume of the combustion chamber in which the mixing takes place is divided equally between the two opposed pistons.
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