DE102011016234A1

DE102011016234A1 - Brennkraftmaschine mit Einspritzventil

Info

Publication number: DE102011016234A1
Application number: DE201110016234
Authority: DE
Inventors: Dr. Lesmana Johnny
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2012-10-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Einspritzventil (6). Das Einspritzventil (6) ist in einem Zylinderkopf (4) angeordnet, der mit seinem Zylinderkopfboden (5) einen Brennraum (1) bildet. Im Betrieb der Brennkraftmaschine stellen sich u. a. durch die Verbrennung, den Gaswechsel und die Kühlung am Zylinderkopfboden (5) Bereiche mit Wandoberflächentemperaturen ein, die eine große Temperaturdifferenz zueinander aufweisen können. Das Wesen der Erfindung liegt darin, in Bereiche des Brennraums (1) mit kühlen Wandoberflächentemperaturen mehr Kraftstoff einzubringen als in Bereiche mit warmen Wandoberflächentemperaturen. Das Ziel ist, diese große Temperaturdifferenz zu verringern, möglichst zu eliminieren, um damit die Spannungen im Bauteil zu verringern und somit die Festigkeit, v. a. des Zylinderkopfs (4) zu erhöhen. Dies geschieht durch geschickte Anordnung der Spritzlöcher (9) in einer Düse (8) des Einspritzventils (6) entlang der Zylinderachse (11) und Winkellage zueinander, ebenso mit unterschiedlichen Spritzlochdurchmessern um eine gezielte Kraftstoffansammlung bzw. -verringerung in unterschiedlichen Bereichen des Brennraums (1) zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Einspritzventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Eine Brennkraftmaschine enthält normalerweise einen Zylinderkopf, in dem als wesentliche Bauteile u. a. Ein- und Auslassventile, sowie ein Einspritzventil montiert sind. Eine Wand des Zylinderkopfs, bezeichnet als Zylinderkopfboden, bildet mit einem Zylinder und Kolben einen Brennraum. Das Einspritzventil ist so im Zylinderkopf montiert, dass es durch eine Bohrung im Zylinderkopfboden mit einem Ende in den Brennraum ragt. Dieses Ende wird als Düse bezeichnet und ist üblicherweise mit mehreren Spritzlöchern ausgestattet, durch die Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden kann. Für den Lufteinlass und Abgasauslass im Zylinder sorgen Öffnungen im Zylinderkopfboden, die durch o. g. Einlass- bzw. Auslassventile verschlossen werden können. An diese Öffnungen schließen sich Kanäle an, die durch den Zylinderkopf führen und von Luft bzw. Abgas durchströmt werden. Ein Teil der bei der Verbrennung entstehenden Wärme fließt in den Zylinderkopf und wird von einer Kühlflüssigkeit abgeführt, die den Zylinderkopf in Kühlkanälen durchströmt. Um einem bei der Verbrennung entstehenden Druck Stand zu halten ist der Zylinderkopf aus Festigkeitsgründen im Inneren mit Verstärkungsrippen ausgebildet.
Bei modernen Hochleistungsbrennkraftmaschinen ist die Wärmebelastung der den Brennraum begrenzenden Bauteile so hoch, dass mit einer weiteren Verbrennungsentwicklung zur Erhöhung des Verbrennungsdrucks bei einer gegebenen Konstruktion, v. a. des Zylinderkopfs, die mechanischen Festigkeitswerte der Werkstoffe nahezu erreicht sind.
Teil der Verbrennungsentwicklung ist auch die Gestaltung des Einspritzventils. Ein solches Einspritzventil ist aus DE 10 2004 032 818 bekannt. Dabei sind die Spritzlöcher bei einer Projektion auf eine Ebene, die senkrecht zur Zylinderachse liegt, symmetrisch angeordnet. Von den aus den Spritzlöchern austretenden Einspritzstrahlen hat ein Einspritzstrahl einen von den restlichen Einspritzstrahlen abweichenden Neigungswinkel zur Zylinderachse. Auch ist der Durchmesser des Spritzlochs dieses Einspritzstrahls kleiner als der der anderen Einspritzstrahlen. Dieser Strahl ist als Zündstrahl bezeichnet und ist auf eine Glühstiftkerze im Brennraum gerichtet. Dies hat in diesem Stand der Technik das Ziel, eine verbesserte Kaltstartfähigkeit zu erreichen.
Die Schrift DE 196 42 513 A1 beschreibt ein Einspritzventil mit axial versetzten Spritzlochreihen. Die Projektion der jeweiligen Spritzlöcher einer Reihe in eine Ebene senkrecht zur Zylinderachse ergibt aber auch wieder eine symmetrische Anordnung der Einspritzstrahlen.
Der Nachteil des Stands der Technik ist, dass die Kraftstoffeinspritzung die individuellen Gegebenheiten im Brennraum nicht berücksichtigt. So gibt es Wandoberflächenbereiche im Brennraum, speziell im Zylinderkopfboden, die eine deutlich unterschiedliche Wandoberflächentemperaturverteilung aufweisen. Der Grund ist, dass es beispielsweise konstruktionsbedingt wegen Verstärkungsrippen oder Kanälen nicht immer möglich ist überall im Zylinderkopfboden Kühlkanäle so zu integrieren, um eine gleichmäßige Kühlung zu erreichen. Verstärkt wird dieser Effekt der Wandoberflächentemperaturverteilung im Bereich der Ein- und Auslassventile. Durch die Einlassventile strömt im Ansaugtakt kühle Luft, die einerseits die Einlassventile, aber auch die zugehörigen Ventilsitze und den nahen Bereich um sie herum kühlt. Somit ergibt sich ein Wandoberflächenbereich im Zylinderkopfboden, der trotz Verbrennung kühl ist. Im Gegensatz dazu ist der Wandoberflächenbereich um die Auslassventile warm, weil durch die Auslassventile im Ausschubtakt das heiße Abgas strömt und somit die Auslassventile, die zugehörigen Ventilsitze und den nahen Bereich um diese herum ständig warm hält. Durch diese unterschiedliche Wandoberflächentemperaturverteilung auf Wandoberflächenbereichen entstehen Spannungen im Werkstoff des Zylinderkopfbodens. Diese Spannungen werden durch die Belastung durch den Verbrennungsdruck verstärkt und dürfen die zulässigen Festigkeitswerte des Werkstoffs nicht überschreiten. Zusätzlich nehmen die Festigkeitswerte mit zunehmender Wandoberflächentemperatur ab, so dass die Verbrennungsentwicklung und Leistungssteigerung an den Motoren immer auch auf den heißesten Bereich des Zylinderkopfbodens angepasst sein muss.
Aufgabe dieser Erfindung ist es die Wandoberflächentemperatur der Wandoberflächenbereiche, insbesonders des Zylinderkopfbodens, zu vergleichmäßigen.
Die Lösung erfolgt mit einem Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Gemäß der Erfindung ist eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Einspritzventil zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei das Einspritzventil mit einem mit Spritzlöchern ausgebildeten Ende in den Brennraum ragt, wobei der Brennraum von Wandungen begrenzt ist, wobei die Wandoberflächentemperaturen durch Wärmeeintrag aus Verbrennung und Wärmeabfuhr durch Kühlung bestimmt sind. Dabei ist die Spritzlochverteilung derart angeordnet, dass in kühlen Wandoberflächenbereichen des Brennraums mehr Kraftstoff eingespritzt wird, als in warme Wandbereiche.
Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße Einspritzventil eine Vergleichmäßigung der Wandoberflächentemperatur der die Brennkammer begrenzenden Wandungen. Dadurch ist z. B. eine Leistungssteigerung einer gegebene Brennkraftmaschine ohne Neukonstruktionen von Bauteilen möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Wand des Brennraums als Zylinderkopfboden mit einer Bohrung zur Aufnahme des Einspritzventils und mit werteren Bohrungen für mindestens je ein Einlass- und Auslassventil ausgebildet, wobei die Spritzlochverteilung derart angeordnet ist, dass in einen Einlassbereich mit mindestens einem Einlassventil mehr Kraftstoff eingespritzt wird als in einen Auslassbereich mit mindestens einem Auslassventil. Der Vorteil dabei ist, dass der Hauptteil der Verbrennung gezielt in Bereiche des Brennraums gelagert werden kann dessen Wandoberflächentemperaturen kühler als die anderen sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Achsen der Spritzlöcher bei einer Projektion auf eine zu einer Zylinderachse senkrechten Ebene so unsymmetrisch angeordnet, dass mindestens zwei Achsen einen anderen Winkel einschließen als die anderen Achsen. Der Vorteil dabei ist, dass einzelne Achsen der Spritzlöcher gezielt in Bereiche des Brennraums gerichtet werden können, um dort den Hauptteil der Verbrennung zu realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Spritzlöcher unterschiedliche Durchmesser auf, zu einer größeren Kraftstoffansammlung in kühlen Wandoberflächenbereichen, insbesonders im Einlassbereich von Einlassventilen, und zu einer geringeren Kraftstoffansammlung in warmen Wandoberflächenbereichen. Der Vorteil dabei ist, dass bei der Verbrennung die Temperaturunterschiede auf Wandoberflächenbereichen verringert werden und so Spannungen in den jeweiligen Bauteilen abnehmen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Achsen der Spritzlöcher unterschiedliche Neigungswinkel zur Zylinderachse auf. Der Vorteil dabei ist, dass einzelne Achsen der Spritzlöcher gezielt in Bereiche des Brennraums gerichtet werden können, um dort den Hauptteil der Verbrennung zu realisieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Achsen der Spritzlöcher die in Richtung der kalten Wandoberflächenbereiche ausgerichtet sind einen größeren Neigungswinkel auf, als die Achsen der Spritzlöcher die in Richtung der warmen Wandoberflächenbereiche ausgerichtet sind. Der Vorteil dabei ist, dass bei der Verbrennung die Temperaturunterschiede auf Wandoberflächenbereichen verringert werden und so Spannungen in den jeweiligen Bauteilen abnehmen.
Gemäß einer werteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegen die Spritzlöcher auf unterschiedlichen Ebenen, wobei diese Ebenen senkrecht zur Zylinderachse liegen und zur größeren Kraftstoffansammlung in den kühlen Wandoberflächenbereichen und zur geringeren Kraftstoffansammlung in den warmen Wandoberflächenbereichen entlang der Zylinderachse unterschiedliche Abstände aufweisen. Der Vorteil dabei ist, dass einzelne Achsen der Spritzlöcher gezielt in Bereiche des Brennraums gerichtet werden können, um dort den Hauptteil der Verbrennung zu realisieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzventil gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Ansicht auf einen Zylinderkopfboden mit Ein- und Auslassventilen, sowie einem Einspritzventil gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
3 einen Querschnitt durch eine Düse eines Einspritzventils gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
1 zeigt in einem Querschnitt als wesentliche Bauteile eines Brennraums 1 einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) einen Kolben 2, einen Zylinder 3 sowie einen Zylinderkopf 4. Dabei ist der Kolben 2 im Zylinder 3 beweglich geführt. Eine Wand des Zylinderkopfs 4, welche den Brennraum 1 bildet, wird als Zylinderkopfboden 5 bezeichnet. Im Zylinderkopf 4 ist ein Einspritzventil 6 so montiert, dass es mit einem Ende durch eine Bohrung 7 im Zylinderkopfboden 5 in den Brennraum 1 ragt. Dieses Ende wird als Düse 8 bezeichnet und ist mit mehreren Spritzlöchern (nicht dargestellt) ausgestattet, durch die Kraftstoff in den Brennraum 1 eingespritzt werden kann. Mögliche Einspritzstrahlen 10 mit unterschiedlichen Winkeln zu einer Zylinderachse 11 gemäß einer ersten Ausführungsform sind durch Pfeile angedeutet. Für den Lufteinlass und Abgasauslass im Zylinder 3 sorgen weitere Öffnungen im Zylinderkopfboden 5, die durch im Zylinderkopf 4 montierte Ein- und Auslassventile verschlossen werden können (in dieser Schnittebene nicht dargestellt). An diese Öffnungen schließen sich Kanäle an, die durch den Zylinderkopf 4 führen und von Luft bzw. Abgas durchströmt werden. Ausschnitte eines Einlass- 13 und Auslasskanals 15 sind in dieser Schnittebene dargestellt. Ebenso Kanalwände 16 bzw. Verstärkungsrippen 17 im Zylinderkopf 4 die teilweise mit Kühlkanälen 18 durchzogen sind.
2 zeigt eine Ansicht auf den Zylinderkopfboden 5 mit Ein- 12 und Auslassventilen 14 (gekennzeichnet durch E bzw. A) sowie der Düse 8 des Einspritzventils 6. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Einspritzstrahlen 10 so angeordnet, dass in einen kühlen Einlassbereich des Zylinderkopfbodens 5 mehr Einspritzstrahlen 10 gerichtet sind als in einen warmen Auslassbereich. Ebenso kann deren Ausrichtung unterschiedlich gewählt werden. Daraus ergibt sich bei einer Projektion der Einspritzstrahlen 10 auf eine zu einer Zylinderachse 11 senkrechten Ebene (wie in dieser Figur dargestellt), dass die Einspritzstrahlen 10 unsymmetrisch angeordnet sind und unterschiedliche Winkel einschließen.
3 zeigt einen Querschnitt durch die Düse 8 des Einspritzventils 6 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Dabei sind die Spritzlöcher 9 mit unterschiedlichen Dürchmessern d1, d2, und d3 ausgebildet, was zu unterschiedlichen Kraftstoffansammlungen in unterschiedlichen Bereichen des Brennraums 1 dient.
Bezugszeichenliste

1: Brennraum
2: Kolben
3: Zylinder
4: Zylinderkopf
5: Zylinderkopfboden
6: Einspritzventil
7: Bohrung
8: Düse
9: Spritzloch
10: Einspritzstrahl
11: Zylinderachse
12: Einlassventil
13: Einlasskanal
14: Auslassventil
15: Auslasskanal
16: Kanalwand
17: Verstärkungsrippe
18: Kühlkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004032818 [0004]
DE 19642513 A1 [0005]

Claims

Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Einspritzventil (6) zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum (1) der Brennkraftmaschine, wobei das Einspritzventil (6) mit einem mit Spritzlöchern (9) ausgebildeten Ende in den Brennraum (1) ragt, wobei der Brennraum (1) von Wandungen begrenzt ist, wobei die Wandoberflächentemperaturen durch Wärmeeintrag aus Verbrennung und Wärmeabfuhr durch Kühlung bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzlochverteilung derart angeordnet ist, dass in kühlen Wandoberflächenbereichen des Brennraums mehr Kraftstoff eingespritzt wird, als in warme Wandoberflächenbereiche.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand des Brennraums als Zylinderkopfboden (5) mit einer Bohrung (7) zur Aufnahme des Einspritzventils (6) und mit weiteren Bohrungen für mindestens je ein Einlass- (12) und Auslassventil (14) ausgebildet ist, wobei die Spritzlochverteilung derart angeordnet ist, dass in einen Einlassbereich mit mindestens einem Einlassventil (12), mehr Kraftstoff eingespritzt wird als in einen Auslassbereich mit mindestens einem Auslassventil (14).
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Achsen der Spritzlöcher (9) bei einer Projektion auf eine zu einer Zylinderachse (11) senkrechten Ebene so unsymmetrisch angeordnet sind, dass mindestens zwei Achsen einen anderen Winkel einschließen als die anderen Achsen.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzlöcher (9) unterschiedliche Durchmesser aufweisen, zu einer größeren Kraftstoffansammlung in kühlen Wandoberflächenbereichen, insbesonders im Einlassbereich von Einlassventilen (12), und zu einer geringeren Kraftstoffansammlung in warmen Wandoberflächenbereichen.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Spritzlöcher (9) unterschiedliche Neigungswinkel zur Zylinderachse (11) aufweisen.
Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Spritzlöcher (9) die in Richtung der kalten Wandoberflächenbereiche ausgerichtet sind einen größeren Neigungswinkel zur Zylinderachse (11) aufweisen, als die Achsen der Spritzlöcher (9) die in Richtung der warmen Wandoberflächenbereiche ausgerichtet sind.
Brennkraftmaschine gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzlöcher (9) auf unterschiedlichen Ebenen liegen, wobei diese Ebenen senkrecht zur Zylinderachse (11) liegen und zur größeren Kraftstoffansammlung in den kühlen Wandoberflächenbereichen und zur geringeren Kraftstoffansammlung in den warmen Wandoberflächenbereichen entlang der Zylinderachse unterschiedliche Abstände aufweisen.