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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um gezielt Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs einzuspritzen sowie eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung, einen entsprechend ausgestalteten Motor und ein entsprechend ausgestaltetes Fahrzeug.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, den Kraftstoff in Form von mehreren Strahlen derart in den Brennraum einzuspritzen, dass möglichst
- • keine Benetzung der Lauffläche des Zylinders auftritt,
- • keine Ventilteller von in den Zylinder hineinragenden Ventilen benetzt werden,
- • der Kolben nicht benetzt wird, und
- • das Brennraumdach nicht benetzt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders eines Motors eines Fahrzeugs nach Anspruch 1, durch eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders eines Motors eines Fahrzeugs nach Anspruch 7, durch einen Motor nach Anspruch 10 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausfühungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders eines Motors eines Fahrzeugs bereitgestellt. Dabei wird der Kraftstoff in Form mehrerer Strahlen mittels eines Injektors in den Brennraum eingespritzt. Eine erste Ebene ist derart definiert, dass sowohl die Mittelachse des Injektors als auch die Mittelachse des Zylinders in dieser ersten Ebene liegen, die erste Ebene also quasi von der Mittelachse des Injektors und der Mittelachse des Zylinders aufgespannt wird. Eine zweite Ebene welche senkrecht zu der ersten Ebene liegt, ist derart definiert, dass in dieser zweiten Ebene sowohl die Mittelachse des Injektors als auch die Flächennormale der ersten Ebene liegen, so dass diese zweite Ebene quasi durch die Mittelachse des Injektors und durch die Flächennormale der ersten Ebene aufgespannt wird. Die Strahlen werden derart erzeugt, dass ein Winkel zwischen den Projektionen der beiden Mittelachsen von zwei beliebigen der Strahlen in die zweite Ebene kleiner als 50° ist.
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Durch diese Begrenzung auf 50° wird vorteilhafterweise dafür gesorgt, dass keiner der Strahlen die Zylinderlauffläche (Zylinderwand, an welcher sich der Kolben entlang bewegt) benetzt.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben zahlreiche Simulationen und Experimente durchgeführt, um eine Spraygeometrie (bestimmte Anordnung der Einspritzstrahlen) zu bestimmen, welche zum einen die vorab definierten Aufgaben möglichst optimal erfüllt und zum anderen ein Brennstoff-Luft-Gemisch innerhalb des Zylinders erzeugt, wobei das Volumen des Brennraums dennoch optimal ausgenutzt wird. Das Ergebnis der Simulationen und Experimente der Erfinder sind eine bestimmte Spraygeometrie mit fünf Löchern und eine bestimmte Spraygeometrie mit vier Löchern.
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Um eine Spraygeometrie zu definieren, wird jeder Strahl (und damit jedes Loch) über einen ersten Winkel und über einen zweiten Winkel definiert. Dabei liegt erste Winkel zwischen einer Projektion der Mittelachse des jeweiligen Strahls in die erste Ebene und der Mittelachse des Injektors. Der zweite Winkel liegt zwischen der Projektion der Mittelachse des jeweiligen Strahls in die zweite Ebene und der Mittelachse des Injektors.
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Bei der Spraygeometrie mit genau fünf Löchern wird der Kraftstoff (insbesondere gleichzeitig) mit genau fünf Strahlen in den Brennraum gespritzt, so dass ein erster, ein zweiter, ein dritter, ein vierter und ein fünfter Strahl existieren. Tabelle 1 unten stellt dar, wo sich die einzelnen Strahlen der erfindungsgemäßen optimalen 5-Strahl-Anordnung im Bezug zu der Mittelachse des Injektors jeweils befinden.
| | erster Winkel (α) | zweiter Winkel (β) |
| | optimal | Toleranzbereich | optimal | Toleranzbereich |
| 1. Strahl | 0° | –3° bis +3° | 0° | –3° bis +3° |
| 2. Strahl | –28° | –40° bis –20° | –28° | –40° bis –20° |
| 3. Strahl | –10° | –20° bis –5° | –25° | –40° bis –20° |
| 4. Strahl | +10° | +5° bis +20° | –25° | –40° bis –20° |
| 5. Strahl | +28° | +20° bis +40° | –28° | –40° bis –20° |
Tabelle 1: optimale 5-Strahl-Anordnung
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Bei der Spraygeometrie mit genau vier Löchern wird der Kraftstoff (insbesondere gleichzeitig) durch genau vier Strahlen in den Brennraum gespritzt, so dass ein erster, ein zweiter, ein dritter und ein vierter Strahl existieren. Tabelle 2 stellt dar, welchen ersten bzw. zweiten Winkel diese vier Strahlen zur Mittelachse des Injektors ausbilden.
| | erster Winkel (α) | zweiter Winkel (β) |
| | optimal | Toleranzbereich | optimal | Toleranzbereich |
| 1. Strahl | 0° | –3° bis +3° | 0° | –3° bis +3° |
| 2. Strahl | –21° | –24° bis 18° | –28° | –31° bis –25° |
| 3. Strahl | 0° | –3° bis +3° | –22° | –25° bis –19° |
| 4. Strahl | +21° | +18° bis +24° | –28° | –31° bis –25° |
Tabelle 2: optimale 4-Strahl-Anordnung
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Vorteilhafterweise gilt für jedes Strahlenpaar, dass ein Winkel zwischen den beiden Mittelachsen der zwei Strahlen des Strahlenpaars größer als 15° (besser 20°) ist.
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Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Winkel von mehr als 15° (20°) nicht auf die erste oder zweite Ebene beschränkt ist, sondern dass dieser einzuhaltende Winkel quasi für diejenige Ebene gilt, welche von den beiden Mittelachsen der jeweiligen beiden Strahlen aufgespannt wird.
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Indem der genannte Mindestwinkel eingehalten wird, wird vorteilhafterweise dafür gesorgt, dass zwei benachbarte Strahlen nicht derart dicht beieinander liegen, dass sich ihre Strahlen quasi verstärken. Würden nämlich zwei Strahlen zu dicht beieinander liegen, wäre nachteiligerweise eine Penetration der entsprechenden Kraftstoffstrahlen zu groß, so dass der Kraftstoff zu weit in den Brennraum gespritzt würde, so dass er beispielsweise die Zylinderlauffläche benetzen könnte.
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Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die Strahlen mit einem Druck von mehr als 200 bar (besser mehr als 250 bar) in den Brennraum eingespritzt. Darüber hinaus kann zum Betrieb des Motors ein spezielles Einspritztiming eingesetzt werden, wobei die Einspritzstrahlen abhängig von der Kolbenstellung und der Stellung des Einlassventils (des Hubs des Einlassventils) eingespitzt werden.
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Durch den hohen Einspritzdruck von 200 bar (oder gar 250 bar) wird vorteilhafterweise eine Benetzung des Kolbens oder des Einlassventils vermieden und auch eine Partikelemission (im Abgas) reduziert. Die vorliegende Erfindung bietet aufgrund der seitlichen Einspritzlage ebenfalls die Möglichkeit, Common-Rail-Injektoren mit Einspritzdrücken bis zu 800 bar einzusetzen, welche beispielsweise für den Dieselmotor bekannt sind.
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Darüber hinaus ist erfindungsgemäß eine Mehrfacheinspritzung möglich, was bedeutet, dass jeder der (beispielsweise vier oder fünf) Strahlen im selben Arbeitstakt mehrfach eingespitzt wird.
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Durch die Mehrfacheinspritzung werden die Verdampfung und die Gemischbildung im Zylinder weiter optimiert, wodurch insbesondere das Kaltstart- und Emissionsverhalten verbessert wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung (zum Beispiel ein Kraftstoffeinspritzsystem) zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Zylinders eines Motors eines Fahrzeugs bereitgestellt. Dabei umfasst die Vorrichtung einen Injektor (d. h. eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung) und eine Lochanordnung (zum Beispiel eine Fläche), welche mehrere durch die Lochanordnung bzw. Fläche hindurch verlaufende Löcher aufweist. Die Vorrichtung ist derart ausgestaltet, dass der Injektor den Kraftstoff durch die mehreren Löcher der Lochanordnung hindurch in den Brennraum einspritzt. Die Löcher sind dabei derart angeordnet, dass für jedes beliebige Löcherpaar, welches aus zwei beliebigen der Löcher gebildet wird, ein Winkel zwischen den beiden Projektionen der Mittelachsen dieser beiden Löcher in die zweite Ebene kleiner als 50° ist. Wird durch ein Loch der Lochanordnung hindurch mittels des Injektors ein Kraftstoffstrahl in den Brennraum gespritzt, so entspricht die Mittelachse dieses Loches insbesondere der Mittelachse dieses Strahls. Daher entspricht die Richtung der Mittelachse des jeweiligen Loches der Richtung der Mittelachse des durch das Loch erzeugbaren Strahls.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Motor bereitgestellt, welcher eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst.
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Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder einen erfindungsgemäßen Motor umfasst.
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Durch die vorliegende Erfindung wird der Kraftstoff derart in den Brennraum eingespritzt, dass weder die Zylinderlauffläche noch das Brennraumdach noch der Kolben von dem eingespritzten Kraftstoff benetzt werden. Dies führt vorteilhafterweise zu einer Reduktion der Partikelemissionen, zu einer Vermeidung von Verkokungen, zu einer Vermeidung von einer Schmierölverdünnung und zu einer Erhöhung der Brenngeschwindigkeit des sich im Brennraum bildenden Kraftstoff-Luft-Gemisches. Anders ausgedrückt ist das erfindungsgemäße Spraybild der Hochdruck-Einspritzventile (Hochdruck-Injektoren) bzw. die Anordnung der einzelnen Einspritzstrahlen so ausgelegt, dass eine Kraftstoffbenetzung der Einlassventile, des Kolbens und der Zylinderlaufbuchsen mittels spezieller Hochdruck-Einspritzventil-Auslegung und einer sehr hohen Ladungsbewegung ohne Klappersystem im Einlasskanal vermieden wird.
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Durch die vorliegende Erfindung werden die in der Nähe der Zylinderwand vorhandenen Kohlenwasserstoffe reduziert (”Wall-Quenching”) und somit die Schadstoffemissionen deutlich abgesenkt. Dies resultiert nicht zuletzt aus einer deutlichen Reduktion der Penetration der Kraftstoffstrahlen. Um die Partikelemissionen weiter zu reduzieren, kann eine Kombination aus Saugrohr- und Direkteinspritzung realisiert werden. Darüber hinaus ist es möglich, den Motor mit einem Einlass- und mit einem Auslassnockenwellensteller zu realisieren, um größtmögliche Überschneidungen realisieren zu können und somit das Drehmoment bei kleineren Drehzahlen (”Low End Torque”) zu verbessern und den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen (insbesondere Partikelemissionen und Emissionen von Kohlenwasserstoffen) abzusenken. Die Erhöhung der Ladungsbewegung resultiert in einer Erhöhung der turbulenten kinetischen Energie im Zylinder des Motors. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich durch die Reduzierung der Ablagerungen auf Kolben und Brennraumdach, was wiederum zur Reduzierung der Partikelemissionen beiträgt.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für einen Ottomotor eines Kraftfahrzeugs geeignet. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch bei Schiffen, Flugzeugen sowie gleisgebundenen oder spurgeführten Fahrzeugen einsetzbar ist. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung zumindest prinzipiell auch bei anderen Motortypen einsetzbar.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
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In 1 ist das Innere eines Zylinders eines Ottomotors dargestellt.
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In 2 ist die Ausrichtung der Einspritzstrahlen eines Injektors mit erfindungsgemäßer 5-Loch-Anordnung dargestellt.
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In 3 ist die Ausrichtung der Einspritzstrahlen eines Injektors mit erfindungsgemäßer 4-Loch-Anordnung dargestellt.
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4 stellt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Motor dar.
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In 1 ist ein Brennraum 2 im Inneren eines Zylinders 13 eines Ottomotors dargestellt. Innerhalb des Zylinders 13 bewegt sich ein Kolben 14, wobei sich dem Kolben 14 gegenüber das so genannte Brennraumdach 15 befindet. In den Zylinder 13 und damit in den Brennraum 2 hinein ragen ein Einlassventil 8, ein Auslassventil 9, eine Zündkerze 7 und ein Injektor 1. Anhand der Tatsache, dass die Mittelachse 11 des Injektors 1 zu der Mittelachse 12 des Zylinders 13 einen Winkel aufweist, erkennt man, dass der Brennstoff oder Kraftstoff seitlich schräg in den Zylinder 13 eingespritzt wird. Unterhalb des Brennraumdachs befindet sich eine so genannten Schnaupe bzw. Unterkante des Brennraumdaches (eine entsprechenden Aussparung zur Montage des Injektors 1). Im Betrieb spritzt der Injektor 1 Kraftstoffstrahlen 3 in den Brennraum 2.
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Diese Kraftstoffstrahlen 3 entstehen, indem der Kraftstoff durch entsprechende Löcher einer Lochanordnung gespritzt wird. Stellt man sich diese Lochanordnung als eine Oberfläche eines Segments einer Kugel dar, dann bildet die Mittelachse jedes Loches, welche beispielsweise einer Geraden entspricht, die durch den Mittelpunkt der entsprechenden Kugel und durch den Mittelpunkt des entsprechenden Lochs verläuft, eine Beziehung zu der Mittelachse 11 des Injektors 1, was durch den ersten Winkel α und durch den zweiten Winkel β ausgedrückt werden kann.
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Dazu existieren eine erste und eine zweite Ebene. Die erste Ebene wird von der Mittelachse 1 des Injektors 11 und von der Mittelachse 12 des Zylinders 13 aufgespannt. Die zweite Ebene steht senkrecht auf der ersten Ebene und beinhaltet die Mittelachse 1 des Injektors 11, so dass die Mittelachse 1 des Injektors 11 sowohl innerhalb der ersten als auch innerhalb der zweiten Ebene liegt. Der erste Winkel α entspricht einem Winkel in der ersten Ebene, und der zweite Winkel β entspricht einem Winkel in der zweiten Ebene. Die Mittelachse eines Loches der Lochanordnung entspricht der Mittelachse desjenigen Strahls, welcher durch dieses Loch hindurch in den Brennraum 2 eingespritzt wird. Jedes Loch und damit jeder Strahl wird durch den ersten Winkel α und durch den zweiten Winkel β definiert. Der erste Winkel α gibt dabei an, wie groß der Winkel zwischen der Mittelachse 11 des Injektors 1 und der Projektion der Mittelachse des jeweiligen Loches (Strahls) in der ersten Ebene ist. In ähnlicher Weise gibt der zweite Winkel β an, wie groß der Winkel zwischen der Mittelachse 11 des Injektors 1 und der Projektion der Mittelachse des jeweiligen Loches (Strahls) in der zweiten Ebene ist.
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In 2 ist die Ausrichtung der fünf Strahlen 21–25 der 5-Loch-Anordnung dargestellt. Zusätzlich ist in 2 die Ventilhubkurve 5 jeweils für das Einlassventil 8 und das Ausmaßventil 9 dargestellt. Damit der jeweilige Strahl 21–25 zu keinem Zeitpunkt eines der Ventile 8, 9 (oder besser den Ventilteller eines der Ventile 8, 9) trifft, muss der entsprechende Strahl 21–25 außerhalb der geschlossenen Ventilhubkurve 5 liegen, was bei der erfindungsgemäßen in 2 dargestellten Spraygeometrie der Fall ist.
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Darüber hinaus sollte keiner der Strahlen 21–25 die Unterkante des Brennraumdaches 15 (Schnaupe) treffen. Dazu sollten die Strahlen 21–25 unterhalb der Kurve 6, welche den Verlauf der Unterkante des Brennraumdaches 15 darstellt, liegen, was ebenfalls bei der erfindungsgemäßen in 2 dargestellten Spraygeometrie der Fall ist.
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Der Durchmesser eines der Strahlen 21–25 beträgt beispielsweise 150 μm.
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In 3 ist die Spraygeometrie für eine erfindungsgemäße 4-Loch-Anordnung dargestellt. Im Vergleich zu der in 2 dargestellten 5-Loch-Anordnung ist die in 3 dargestellte 4-Loch-Anordnung bezüglich des ersten Winkels α kompakter.
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Schließlich ist in 4 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 schematisch dargestellt. Das Fahrzeug 10 umfasst einen Ottomotor 30, welcher eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 20 aufweist. Diese erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 20 umfasst ihrerseits einen Injektor 1 und eine Lochanordnung 4.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10032330 A1 [0002, 0003]
- DE 102004041031 A1 [0002, 0003, 0003]
- DE 102004002296 A1 [0002, 0003, 0003]
- US 7770556 B2 [0002]
- JP 2007092633 A [0002]
