DE102019107483A1

DE102019107483A1 - Verbrennungssystem für einen verbrennungsmotor mit einer verbrennungskammer und einer kraftstoffeinspritzdüse

Info

Publication number: DE102019107483A1
Application number: DE102019107483.5A
Authority: DE
Inventors: Adam Dempsey; Kenth I. Svensson
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2018-04-02
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2019-10-02
Also published as: US11236711B2; US20200408175A1; US20190301408A1

Abstract

Ein Verbrennungssystem (14) für einen Verbrennungsmotor (10) umfasst eine Verbrennungskammer (12), die zwischen einem Zylinderkopf (22) und einer oberen Oberfläche (20) eines Kolbens (16) definiert wird. Das Verbrennungssystem (14) umfasst auch eine Kraftstoffeinspritzdüse (28) mit einer Einspritzdüsenspitze (30). Die Einspritzdüsenspitze (30) definiert eine Strahldüse (32), die in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer (12) angeordnet ist, um einen Kraftstoffstrahl (34) in die Verbrennungskammer (12) abzugeben. Ein stumpfer Körper (36) ist innerhalb der Verbrennungskammer (12) so positioniert, dass eine Achse (AA') des abgegebenen Kraftstoffstrahls (34) auf einen vorderen Abschnitt (38) des stumpfen Körpers (36) nahe der Einspritzdüsenspitze (30) trifft. Der vordere Abschnitt (38) weist eine Kontur auf, die dazu geeignet ist, den abgegebenen Kraftstoffstrahl (34) in zumindest zwei turbulente Kraftstoffströme zu teilen und das Mischen eines jeden Kraftstoffstroms mit einem Oxidationsmittel zu erleichtern, das in der Verbrennungskammer (12) vorliegt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Verbrennungsmotor, und insbesondere ein Verbrennungssystem für einen Verbrennungsmotor.
Hintergrund
Ein Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoff-Direkteinspritzsystem spritzt in der Regel einen Kraftstoffstrahl direkt in eine Verbrennungskammer des Motors ein. In einigen Fällen können diese Kraftstoffstrahlen einen Kern aufweisen, der reich an Kraftstoff ist, und während der an Kraftstoff reiche Kern unzureichenden Zugang zu einem Oxidationsmittel, zum Beispiel Luft, haben kann, kann die Verbrennungskammer auch eine ausreichend hohe Temperatur an den an Kraftstoff reichen Kern liefern, und somit zu der Bildung von Ruß beitragen. Obwohl es möglich sein kann, dass der meiste entstandene Ruß in der Verbrennungskammer oxidieren kann, bevor das Abgas aus der Verbrennungskammer ausgeleitet wird, kann ein Teil dieses Rußes weiter in seinem nicht oxidierten Zustand innerhalb der Verbrennungskammer verbleiben.
Wird dem nicht entgegengewirkt wird, kann dieser nicht oxidierte Ruß sich über die Zeit in der Verbrennungskammer ansammeln, was schädliche Auswirkungen haben kann, wie das Verschlammen von Schmiermittel oder anderer Fluide, die in dem Verbrennungsmotor verwendet werden. Auch wenn der nicht oxidierte Ruß aus der Verbrennungskammer ausgestoßen würde, würde er sich insgesamt als Stoffpartikel manifestieren, die ihrerseits einen unerwünschten Bestandteil der Motoremissionen darstellen.
Obwohl einige Konstruktionen von Verbrennungssystemen bekannt sind, um zu helfen, die Bildung von Ruß zu verringern, zum Beispiel das US-Patent 6,176,087 , das die Einbeziehung eines stumpfen Körpers in Gasturbinenmotoren offenbart, sollte doch bedacht werden, dass die Bedingungen im Betrieb von Gasturbinenmotoren sich von jenen unterscheiden, die in der Regel während des Betriebs von Kolbenhub-Verbrennungsmotoren erfahren werden. Zu diesem Zweck haben Hersteller bisher versucht, bessere Konstruktionen von Verbrennungssystemen in ihren Hubkolbenmotoren zu implementieren, um die Menge an Ruß zu minimieren, die während des Betriebs des Hubkolben-Verbrennungsmotors erzeugt werden kann.
Zusammenfassung der Offenbarung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verbrennungssystem für einen Verbrennungsmotor eine Verbrennungskammer, die zwischen einem Zylinderkopf und einer oberen Oberfläche eines Kolbens definiert wird. Das Verbrennungssystem umfasst auch eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einer Einspritzdüsenspitze. Die Einspritzdüsenspitze definiert eine Strahldüse, die in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer angeordnet ist, um einen Kraftstoffstrahl in die Verbrennungskammer abzugeben. Ein stumpfer Körper ist innerhalb der Verbrennungskammer so positioniert, dass eine Achse des abgegebenen Kraftstoffstrahls auf einen vorderen Abschnitt des stumpfen Körpers nahe der Einspritzdüsenspitze fällt. Der vordere Abschnitt weist eine Kontur auf, die dazu geeignet ist, zumindest einen Abschnitt des abgegebenen Kraftstoffstrahls in zumindest zwei turbulente Kraftstoffströme zu teilen und das Mischen eines jeden Kraftstoffstroms mit einem Oxidationsmittel zu erleichtern, das in der Verbrennungskammer vorliegt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der stumpfe Körper einen hinteren Abschnitt aufweisen, der eine erste Öffnung quer zu der Achse des abgegebenen Kraftstoffstrahls und eine zweite Öffnung, die sich distal von der Einspritzdüsenspitze befindet und parallel zu der Achse des abgegebenen Kraftstoffstrahls angeordnet ist, definiert. Die erste Öffnung könnte mit der zweiten Öffnung über einen Durchgang in Fluidverbindung angeordnet sein, so dass die erste Öffnung ein Oxidationsmittel, zum Beispiel Luft, von einem Abschnitt der Verbrennungskammer benachbart zu der ersten Öffnung mitführen kann und das mitgeführte Oxidationsmittel an einen Abschnitt der Verbrennungskammer benachbart zu der zweiten Öffnung über den Durchgang kommunizieren kann. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung könnte eine Kontur des hinteren Abschnitts zur Achse des abgegebenen Kraftstoffstrahls zusammenlaufend oder auseinanderlaufend sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung könnte die Kontur des vorderen Abschnitts ein Scheitel umfassen, der der Strömungsrichtung des Kraftstoffstrahls entgegengesetzt ist. Alternativ könnte die Kontur des vorderen Abschnitts in einer Richtung, die einer Strömungsrichtung des Kraftstoffstrahls entgegengesetzt ist, konvex sein. In dem vorhergehenden Szenario wäre die Kontur des vorderen Abschnitts bloß konvex, und es ist anzumerken, dass in einem solchen Szenario die konvexe Kontur des vorderen Abschnitts keinen Scheitel bildet. Darüber hinaus würde gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Offenbarung, bei dem die Kontur des vorderen Abschnitts bloß konvex ist, ein maximaler Umfang des vorderen Abschnitts zumindest gleich oder vorzugsweise kleiner als ein Umfang gehalten werden, der dem Sprühnebelmuster des abgegebenen Kraftstoffstrahls zugeordnet ist, der auf den vorderen Abschnitt trifft.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung könnte der stumpfe Körper eine längliche, sphärische oder polyedrische Gestalt aufweisen. Wenn der stumpfe Körper eine polyedrische Gestalt aufweist, könnte der stumpfe Körper darüber hinaus dazu ausgestaltet sein, eine Vielzahl von konkaven und konvexen Abschnitten in einer abwechselnden Anordnung um die Achse des abgegebenen Kraftstoffstrahls herum zu definieren. Darüber hinaus kann die erste Öffnung sich an einem der konkaven und konvexen Abschnitte des stumpfen Körpers oder an beiden befinden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der stumpfe Körper auch an einem vorbestimmten Abstand von der Strahldüse der Einspritzdüsenspitze positioniert, um in dem auftreffenden Kraftstoffstrahl durch Erzeugen eines Sogs eine Turbulenz zu verursachen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der stumpfe Körper ein Siebgeflecht sein, das so positioniert ist, dass eine Ebene des Siebgeflechts zu der Achse des abgegebenen Kraftstoffstrahls gewinkelt angeordnet ist. Das Siebgeflecht kann Drähte umfassen. Jeder Draht kann in einem vorgegebenen Abstand von einem benachbarten der Drähte angeordnet sein, um dem Siebgeflecht ein vorbestimmtes Ausmaß an Porosität zu verleihen. Ferner kann jeder Draht einen länglichen, einen kreisförmigen oder einen polyedrischen Querschnitt aufweisen. Darüber hinaus kann das Siebgeflecht in einem vorbestimmten Abstand von der Strahldüse der Einspritzdüsenspitze positioniert sein, um zu ermöglichen, dass zumindest ein Draht in dem auftreffenden Kraftstoffstrahl durch Erzeugen eines Sogs eine Turbulenz verursacht.
Alternativ könnte das Siebgeflecht benachbart zu der Strahldüse an der Einspritzdüsenspitze der Kraftstoffeinspritzdüse positioniert sein. In dieser Konfiguration kann eine Kontur des Siebgeflechts dazu geeignet sein, einer Kontur der Einspritzdüsenspitze zu entsprechen. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann ein Kanal innerhalb der Verbrennungskammer angeordnet sein, und das Siebgeflecht kann an einem Ende des Kanals angebracht sein, das von der Strahldüse entfernt liegt.
Weitere Merkmale und Aspekte dieser Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen klar werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische vordere Schnittansicht eines beispielhaften Verbrennungsmotors mit einer Verbrennungskammer und einem Verbrennungssystem, das einen beispielhaften stumpfen Körper, der der Verbrennungskammer zugeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung aufweist;
2A-2C veranschaulichen die Positionierung des beispielhaften stumpfen Körpers in Relation zu einer Flammenablösungslänge, die einem Kraftstoff zugeordnet ist, gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
3-8 veranschaulichen eine perspektivische Ansicht beispielhafter stumpfer Körper, die zur Verwendung in dem Verbrennungssystem von 1 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eingesetzt werden können;
9 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines weiteren beispielhaften stumpfen Körpers mit ersten und zweiten Öffnungen in Kommunikation miteinander mithilfe eines Durchgangs, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
10-12 zeigen Zustände der Kraftstoff- und Oxidationsmittelwechselwirkung bei Verwendung des stumpfen Körpers von 9 in dem Verbrennungssystem;
13 ist eine schematische Vorderansicht eines stumpfen Körpers, der in der Form eines Siebgeflechts mit Drähten verkörpert ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
14 ist eine schematische vordere Schnittansicht des Verbrennungsmotors und zeigt das Verbrennungssystem, das das Siebgeflecht von 13 einsetzt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
15 ist eine schematische Vorderansicht einer Kraftstoffeinspritzdüse und zeigt ein Siebgeflecht, das dazu geeignet ist, einer Kontur der Einspritzdüsenspitze angepasst zu werden, gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
16 ist eine schematische Draufsicht eines Verbrennungssystems und zeigt Siebgeflechte, die in Verbindung mit Kanälen verwendet werden, gemäß noch einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
17-19 veranschaulichen unterschiedliche beispielhafte Querschnitte eines Drahts, der entweder für sich als stumpfer Körper verwendet werden kann, oder das Siebgeflecht von 13 bilden kann, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
Gleiche Bezugszahlen in mehr als einer Figur bezeichnen in jeder dieselben oder entsprechende Teile. Jegliche Bezugnahme auf Elemente im Singular kann auch so ausgelegt werden, dass sie sich auf den Plural bezieht, und umgekehrt, ohne den Umfang der Offenbarung auf die genaue Anzahl oder den Typ solcher Elemente zu beschränken, es sei denn, dies wird in den beigefügten Ansprüchen explizit angeführt. In den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht
1 einen beispielhaften Verbrennungsmotor 10 (im Folgenden als ‚der Motor‘ bezeichnet und mit der identischen Bezugszahl ‘10‘ beziffert) mit einer Verbrennungskammer 12 und einem Verbrennungssystem 14, das der Verbrennungskammer 12 zugeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie dargestellt ist der Motor 10 als ein Kompressionszündungsmotor, zum Beispiel ein Dieselmotor, verkörpert. In anderen Ausführungsformen könnte der Motor 10 jedoch als funkengezündeter Motor verkörpert sein, zum Beispiel ein benzinbetriebener Direkteinspritzungsmotor, ein gasbetriebener Motor mit Direkteinspritzung von Gas, oder ein Dualkraftstoff-Motorsystem, bei dem zumindest ein Pilotbrennstoff und/oder ein Hauptkraftstoff direkt in eine Verbrennungskammer desselben eingespritzt werden.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst der Motor 10 einen Kolben 16, der verschiebbar innerhalb eines Zylinders 18 angeordnet ist, so dass eine obere Oberfläche 20 des Kolbens 16 und ein Zylinderkopf 22 benachbart zu dem Zylinder 18 in einer oszillierend gegenüberliegenden Beziehung miteinander stehen, um die Verbrennungskammer 12 dazwischen zu definieren. Der Kolben 16 ist ferner mit einer Kurbelwelle 24 des Motors 10 über eine Pleuelstange 26 verbunden dargestellt, um seine lineare oszillierende Bewegung innerhalb des Zylinders 18 in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 24 umzuwandeln.
Obwohl hier ein Einzylinder-Motor verwendet wird, um den Motor 10 zu veranschaulichen, könnte der Motor 10 in anderen Ausführungsformen zwei oder mehr Verbrennungskammern umfassen, so dass der Motor 10 als Mehrzylinder-Motor verkörpert sein könnte. Es sollte klar sein, dass Aspekte der vorliegenden Offenbarung in ähnlicher Weise in einem Mehrzylinder-Motor angewendet werden können, ohne vom Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Wie in 1 dargestellt umfasst das Verbrennungssystem 14 auch eine Kraftstoffeinspritzdüse 28 mit einer Einspritzdüsenspitze 30. Die Einspritzdüsenspitze 30 definiert eine Strahldüse 32, die in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer 12 angeordnet ist, um einen Kraftstoffstrahl 34 in die Verbrennungskammer 12 abzugeben. Wie in 1 dargestellt ist ferner ein stumpfer Körper 36 innerhalb der Verbrennungskammer 12 so positioniert, dass ein Achse AA' des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34 auf einen vorderen Abschnitt 38 des stumpfen Körpers 36 nahe der Einspritzdüsenspitze 30 trifft. In Ausführungsformen dieser Offenbarung umfasst der stumpfe Körper 36 auch einen hinteren Abschnitt 40, der sich von dem vorderen Abschnitt 38 weg erstreckt und sich von der Einspritzdüsenspitze 30 entfernt befindet.
Der vordere Abschnitt 38 weist eine Kontur auf, die dazu geeignet ist, zumindest einen Abschnitt des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34 in zumindest zwei turbulente Kraftstoffströme zu teilen und das Mischen eines jeden Kraftstoffstroms mit einem Oxidationsmittel (wie in den Ansichten von 10-12 und 14-15 durch die leeren Kreise dargestellt) in der Verbrennungskammer 12 zu erleichtern. Das Oxidationsmittel kann zum Beispiel Luft oder insbesondere Sauerstoff aus der Luft sein, die in der Verbrennungskammer 12 vorliegen kann.
Es ist anzumerken, dass in der vorliegenden Offenbarung, obwohl die Begriffe ‚Kraftstoffstrahl‘ oder ‚abgegebener Kraftstoffstrahl‘ verwendet werden, eine Positionierung des stumpfen Körpers 36 nicht unbedingt auf Stellen in der Verbrennungskammer 12 begrenzt ist, wo der Kraftstoff in einer reinen Kraftstoffphase vorliegt. Vielmehr kann der stumpfe Körper 36, wie beispielhaft in den Ansichten von 2A-2C veranschaulicht, sich innerhalb der Verbrennungskammer 12 an einer beliebigen Position in Relation zu einer Flammenablösungslänge L befinden, die dem Kraftstoff zugeordnet ist, der mit vorgegebener Geschwindigkeit und vorgegebenem Druck abgegeben wird. In den beispielhaften schematischen Ansichten von 2A-2C ist die Ablösungslänge L, die dem Kraftstoffstrahl 34 zugeordnet ist, eine Länge entlang des Kraftstoffstrahls 34, vor welcher der Kraftstoffstrahl 34 als in seiner reinen Kraftstoffphase 27 betrachtet werden kann, und nach welcher der Kraftstoffstrahl 34 zu einer Flamme 29 gezündet werden würde.
In der beispielhaften Zeichnung von 2A ist der stumpfe Körper 36 in dem Pfad des Kraftstoffstrahls 34 positioniert, wo der Kraftstoffstrahl 34 in seiner reinen Kraftstoffphase 27 ist. In der beispielhaften Zeichnung von 2B ist der stumpfe Körper 36 so positioniert, dass zumindest ein Teil oder Abschnitt des stumpfen Körpers 36 entlang der Flammenablösungslänge L angeordnet, d. h., der stumpfe Körper 36 befindet sich auf halbem Weg zwischen der reinen Kraftstoffzone 27 und der Flammenzone 29. In der beispielhaften Zeichnung von 2C ist der stumpfe Körper 36 vollständig in der Flammenzone 29 positioniert dargestellt. Somit schließen die Begriffe ‚Kraftstoffstrahl‘ oder ‚abgegebener Kraftstoffstrahl‘, die hierin verwendet werden, nicht nur den Kraftstoff ein, wenn der Kraftstoff in seiner reinen Kraftstoffphase ist. Vielmehr sollte klar sein, dass solche Begriffe breit ausgelegt werden sollten, da sie sich auf Szenarien beziehen, in denen der Kraftstoff zumindest zum Teil, oder vollständig gezündet ist, mit einer Flamme entlang oder nach der Flammenablösungslänge L.
In der illustrierten Ausführungsform von 3 ist der stumpfe Körper 36 dazu ausgestaltet, eine Pyramidenform mit einer quadratischen Basis 42 und einem Scheitel 44, oder eine prismatische Gestalt mit einer rechteckigen Basis 46 und einem gegenüberliegenden keilförmigen Ende 48 aufzuweisen, wie in der illustrierten Ausführungsform von 4 dargestellt.
Obwohl die Pyramidenform des stumpfen Körpers 36 in 3 abgebildet ist, ist anzumerken, dass die quadratische Basis 42 des stumpfen Körpers 36 rein beispielhafter Natur und somit nicht einschränkend für diese Offenbarung ist. Vielmehr können andere vieleckige Gestalten anstelle der quadratischen Basis 42 des stumpfen Körpers 36, die in 3 offenbart ist, in Betracht gezogen werden. Zum Beispiel kann der stumpfe Körper 36 dazu ausgestaltet sein, eine fünfeckige Pyramidenform, eine sechseckige Pyramidenform, oder andere polyedrische Formen zu zeigen, die dem Fachmann bekannt sind und entweder einen Scheitel 44 oder ein keilförmiges Ende 48 aufweisen, wie jeweils in den Ansichten von 3 und 4 gezeigt.
In anderen Ausführungsformen dieser Offenbarung könnten andere Gestalten, etwa eine konische Gestalt, wie in der Ansicht von 5 gezeigt, eine längliche Gestalt, wie in der Ansicht von 6 gezeigt, eine längliche Gestalt mit einem hinteren Scheitel 57, wie in der Ansicht von 7 gezeigt, oder eine sphärische Gestalt, wie in der Ansicht von 8 gezeigt, verwendet werden, um den hierin offenbarten stumpfen Körper 36 zu bilden. In Ausführungsformen dieser Offenbarung wird hiermit in Betracht gezogen, dass eine Gestalt und ein Material des stumpfen Körpers 36 so ausgewählt werden würden, dass der vordere Abschnitt 38 oder der hintere Abschnitt 40 des stumpfen Körpers 36 ein axiales Moment des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34 so minimal wie möglich behindert, nachdem der Kraftstoffstrahl 34 auf den vorderen Abschnitt 38 des stumpfen Körpers 36 trifft. Auch würde, wie hierin offenbart, die Kontur, die dem vorderen Abschnitt 38 des stumpfen Körpers 36 zugeordnet ist, so ausgewählt, dass der vordere Abschnitt 38 den abgegebenen Kraftstoffstrahl 34 in zwei oder mehr turbulente Kraftstoffströme teilen kann.
Es wird ferner in Betracht gezogen, dass die Gestalt und das Material des stumpfen Körpers 36 auch so ausgewählt werden, dass der vordere Abschnitt 38 oder der hintere Abschnitt 40 des stumpfen Körpers 36 das Moment der Kraftstoffströme, die beim Teilen des abgegebenen Kraftstoffstrahl 34 gebildet werden, nur minimal behindern. Zu diesem Zweck wird in bestimmten Ausführungsformen dieser Offenbarung ferner in Betracht gezogen, dass eine Kontur des hinteren Abschnitts 40 auch zu der Achse AA' des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34 hin zusammenlaufend, wie in 6, 7 und 8 gezeigt, gebildet werden kann, anstelle von der Achse AA' des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34 weg auseinanderzulaufen, wie in 3-5 gezeigt. Durch diese Aspekte wird vorstellbar, dass die geteilten Kraftstoffströme, da sie nun mit nur minimaler Behinderung ihres Moments wandern können, nun Zugang zu einer größeren Menge Oxidationsmittel innerhalb der Verbrennungskammer 12 haben können.
In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 6-8 gezeigt ist, könnte die Kontur des vorderen Abschnitts 38 bloß in einer Richtung einer Strömung des Kraftstoffstrahls 34 entgegengesetzt konvex sein. In solchen Ausführungsformen ist anzumerken, dass, obwohl die Kontur des vorderen Abschnitts 38 bloß in einer Richtung einer Strömung des Kraftstoffstrahls 34 entgegengesetzt konvex sein könnte, ein maximaler Umfang M_p des vorderen Abschnitts 38 zumindest gleich oder vorzugsweise kleiner als ein Umfang gehalten wird, der einem Sprühnebelmuster des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34 zugeordnet ist, der auf den vorderen Abschnitt 38 auftreffen würde. Auf diese Weise wäre der vordere Abschnitt 38 nicht nur dazu ausgestaltet, eine Trennebene für den abgegebenen Kraftstoffstrahl 34 zu bieten, um den abgegebenen Kraftstoffstrahl 34 zu teilen, sondern er wäre auch dazu ausgestaltet, das Ausmaß der Behinderung des axialen Moments des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34 und der geteilten Kraftstoffströme zu verringern, die beim Trennen des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34 erhalten werden.
In einer weiteren Ausführungsform wie in 9 dargestellt kann der hintere Abschnitt 40 des stumpfen Körpers 36 dazu ausgestaltet sein, eine erste Öffnung 50 zu definieren, die quer zu der Achse AA' des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34 liegt. In dieser Ausführungsform kann der hintere Abschnitt 40 ferner dazu ausgestaltet sein, eine zweite Öffnung 52 zu definieren, die parallel zu der Achse AA' des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34 angeordnet ist und sich distal von der Einspritzdüsenspitze 30 weg befindet. Die erste Öffnung 50 wird mit der zweiten Öffnung 52 über einen Durchgang 54 in Fluidverbindung angeordnet, so dass die erste Öffnung 50 ein Oxidationsmittel, zum Beispiel Luft, von einem Abschnitt der Verbrennungskammer 12 benachbart zu der ersten Öffnung 50 mitführen kann und das mitgeführte Oxidationsmittel an einen Abschnitt der Verbrennungskammer 12 benachbart zu der zweiten Öffnung 52 über den Durchgang 54 kommunizieren kann.
Es wird in Betracht gezogen, dass während des Betriebs des Motors 10 aufgrund des Vorliegens des stumpfen Körpers 36 ein Niederdruckbereich in dem Abschnitt der Verbrennungskammer 12 herrschen kann, der unter dem hinteren Abschnitt 40 des stumpfen Körpers 36 liegt. Da darüber hinaus der Kraftstoffstrahl 34 von den Strahldüsen 32 der Einspritzdüsenspitze 30 mit einer relativ hohen Geschwindigkeit abgegeben wird, führt dieser Kraftstoff mit hoher Geschwindigkeit bei seiner Teilung an dem vorderen Abschnitt 38 des stumpfen Körpers 36 zu zwei oder mehr Kraftstoffströmen, die als Kraftstoffströme mit hoher Geschwindigkeit mit nur minimalem Momentverlust weitergehen.
In Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird in Betracht gezogen, dass der stumpfe Körper 36 in einem vorbestimmten Abstand D₁ von der Strahldüse 32 der Einspritzdüsenspitze 30 positioniert ist, um den geteilten Kraftstoffströmen durch Erzeugen eines Sogs in dem abgegebenen Kraftstoffstrahl 34 Turbulenz zu verleihen, wenn der abgegebene Kraftstoffstrahl 34 auf den vorderen Abschnitt 38 des stumpfen Körpers 36 trifft. Während jeder geteilte Kraftstoffstrom über den stumpfen Körper 36 läuft, können die geteilten Kraftstoffströme dazu neigen, einen Teil des Oxidationsmittels, das in der Verbrennungskammer 12 vorliegt, in die erste Öffnung 50 zu drücken, wie in 10 dargestellt. Dieses Oxidationsmittel kann an die zweite Öffnung 52 über den Durchgang 54 kommuniziert werden, wie in 11 dargestellt. Wie in 12 dargestellt kann das Oxidationsmittel bei Verlassen der zweiten Öffnung 52 sich nun mit den Kraftstoffströmen, die sich in einem Zustand hoher turbulenter Mischung befinden, an dem Abschnitt der Verbrennungskammer 12 benachbart zu der zweiten Öffnung 52 mischen.
Auf diese Weise wird vorstellbar, dass ein Kern des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34, wenn er reich an Kraftstoff ist, zuerst durch den vorderen Bereich des stumpfen Körpers 36 geteilt wird, um dem Kraftstoff aus dem Kern zu helfen, Zugang zu dem Oxidationsmittel in der Verbrennungskammer 12 zu erhalten. Daneben könnte, aufgrund des Vorliegens der ersten und zweiten Öffnungen 50, 52, die durch den Durchgang 54 verbunden sind, Oxidationsmittel von dem Abschnitt der Verbrennungskammer 12 benachbart zu der ersten Öffnung 50 nun durch die geteilten Kraftstoffströme mit hoher Geschwindigkeit benachbart zu dem stumpfen Körper 36 mitgezogen werden, um in die erste Öffnung 50 einzutreten, und die zweite Öffnung 52 verlassen, um sich effizient mit dem Kraftstoff (der von dem kraftstoffreichen Kern abgeteilt wurde) an dem Abschnitt der Verbrennungskammer 12 benachbart zu der zweiten Öffnung 52 zu mischen.
In einer alternativen Ausführungsform, wie sie in 13 dargestellt ist, kann der stumpfe Körper 36 ein Siebgeflecht 62 sein. Wie in 13 dargestellt kann das Siebgeflecht 62 Drähte 64 umfassen, und jeder Draht 64 kann in einem vorgegebenen Abstand ‘D‘ von einem benachbarten der Drähte 64 angeordnet sein, um dem Siebgeflecht 62 eine vorbestimmte Menge an Porosität zu verleihen.
Das Siebgeflecht 62 könnte innerhalb der Verbrennungskammer 12 so positioniert sein, dass eine Ebene des Siebgeflechts 62 gewinkelt, zum Beispiel mit 45 Grad, exakt quer, d. h. mit 90 Grad, oder 60 Grad zu der Achse AA' des abgegebenen Kraftstoffstrahls 34 angeordnet ist, wie in der Ansicht von 14 gezeigt. Ferner kann das Siebgeflecht 62, wie in der illustrierten Ausführungsform von 14 dargestellt, in einem vorbestimmten Abstand D₂ von der Strahldüse 32 der Einspritzdüsenspitze 30 positioniert sein, um dem zumindest einen Draht 64 aus dem Satz von Drähten 64 zu ermöglichen, dem auftreffenden Kraftstoffstrahl 34 durch Erzeugen eines Sogs Turbulenz zu verleihen.
In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in der Ansicht von 15 gezeigt wird, könnte das Siebgeflecht 62 benachbart zu der Strahldüse 32 an der Einspritzdüsenspitze 30 der Kraftstoffeinspritzdüse 28 positioniert sein. In dieser Konfiguration kann eine Kontur des Siebgeflechts 62 dazu geeignet sein, einer Kontur der Einspritzdüsenspitze 30 zu entsprechen.
In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 16 dargestellt ist, kann ein Kanal 66 innerhalb der Verbrennungskammer 12 angeordnet sein, und das Siebgeflecht 62 kann an einem Auslassende 68 des Kanals 66 angebracht sein, das distal von der Strahldüse 32 liegt. Wenn in dieser Ausführungsform Kraftstoff mit hoher Geschwindigkeit durch einen Einlass 70 des Kanals 66 eingespritzt wird, ist vorstellbar, das auf eine Strömung des Kraftstoffs mit hoher Geschwindigkeit durch den Kanal 66 folgend der Kanal 66 Luft aus der Verbrennungskammer 12 mitführt und die mitgeführte Luft antreibt, dem Kraftstoff mit hoher Geschwindigkeit zu folgen. Der Kraftstoff und die mitgeführte Luft können nun in einen turbulenten Sog gezwungen werden, der durch die Drähte 64 des Siebgeflechts 62 an dem Auslassende 68 des Kanals 66 erzeugt werden, wodurch eine gleichmäßigere Mischung des Kraftstoffs und der Luft miteinander ermöglicht wird.
Obwohl nur eine mögliche Konfiguration des stumpfen Körpers 36 in der Ausführungsform offenbart wurde, in welcher der stumpfe Körper 36 als ein Siebgeflecht 62 verkörpert dargestellt wurde, sollte klar sein, dass jegliche Bezugnahme auf das Siebgeflecht 62 in seiner Gesamtheit keine Einschränkung dieser Offenbarung darstellt. Vielmehr wird dem Fachmann klar sein, dass jeder Draht 64, der an dem Siebgeflecht 62 vorhanden ist, auch selbst als individueller stumpfer Körper 36 betrachtet werden kann, da jeder Draht 64 von dem Siebgeflecht 62 verwendet werden kann, um die Funktionen gemäß der vorliegenden Offenbarung zu erfüllen. Daher wird für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung in Betracht gezogen, dass in Ausführungsformen hierin ein Draht 64 mit einem länglichen Querschnitt, wie in der Ansicht von 17 gezeigt, einem kreisförmigen Querschnitt, wie in der Ansicht von 18 gezeigt, oder einem vieleckigen Querschnitt, zum Beispiel einem sechseckigen Querschnitt, wie in der Ansicht von 19 dargestellt, als der stumpfe Körper 36 betrachtet werden kann, oder mehrere Drähte 64 eines länglichen, kreisförmigen oder vieleckigen Querschnitts können gruppiert oder verflochten sein, um Zwischenräume zwischen benachbart befindlichen Drähten 64 zu definieren, um den stumpfen Körper 36 der vorliegenden Offenbarung zu definieren.
Verschiedene hierin offenbarte Ausführungsformen sind als Veranschaulichung und rein beispielhaft zu verstehen und sollen nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung ausgelegt werden. Alle Verweise auf eine Verbindung (z. B., zugeordnet, versehen mit, angeordnet, in Verbindung und dergleichen) werden nur verwendet, um das Verständnis der vorliegenden Offenbarung durch den Leser zu fördern, und können keine Einschränkungen bilden, insbesondere in Bezug auf die Stellung, Orientierung oder die Verwendung der hierin offenbarten Systeme und/oder Verfahren. Daher sind Verweise auf eine Verbindung falls überhaupt in ihrem breitesten Sinn auszulegen. Darüber hinaus sollen solche Verweise auf eine Verbindung nicht notwendigerweise nahelegen, dass zwei Elemente direkt miteinander verbunden sind.
Außerdem sind alle Zahlenausdrücke, etwa, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, „erste/r“, „zweite/r“ oder jegliche anderen gewöhnlichen und/oder numerischen Ausdrücke, rein als Identifikatoren zu verstehen, um das Verständnis des Lesers der verschiedenen Elemente, Ausführungsformen, Variationen und/oder Modifikationen der vorliegenden Offenbarung zu unterstützen, und können keinerlei Einschränkung schaffen, insbesondere nicht in Bezug auf die Reihenfolge oder Bevorzugung eines Elements, einer Ausführungsform, Variation und/oder Abwandlung relativ zu oder gegenüber einem weiteren Element, einer weiteren Ausführungsform, Variation und/oder Abwandlung.
Es sollte klar sein, dass einzelne Merkmale, die für eine Ausführungsform dargestellt oder beschrieben wurden, mit einzelnen Merkmalen, die für eine andere Ausführungsform dargestellt oder beschrieben wurden, kombiniert werden können. Die oben beschriebene Implementierung stellt keine wie auch immer geartete Begrenzung des Umfangs der vorliegenden Offenbarung dar. Obwohl manche Merkmale dargestellt oder beschrieben wurden, um die Verwendung der vorliegenden Offenbarung im Zusammenhang mit einem funktionellen Segment zu veranschaulichen, sollte klar sein, dass solche Merkmale aus dem Umfang der vorliegenden Offenbarung wegfallen können, ohne vom Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Offenbarung findet Anwendung zur Verwendung und Implementierung in der Verringerung von Rußemissionen bei der Verbrennung von Kraftstoff in einem Motor. Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Verbrennungsmotor 10 und insbesondere ein Verbrennungssystem 14 für einen Verbrennungsmotor, das dazu ausgestaltet ist, eine Menge an Ruß verringern zu helfen, die in der Regel ohne Verwendung von hierin offenbarten Ausführungsformen produziert werden würde.
Durch Verwendung der hierin enthaltenen Ausführungsformen werden Kraftstoffstrahlen mit einem kraftstoffreichen Kern oxidiert, indem dem kraftstoffreichen Kern der Zugang zu Oxidationsmittel von innerhalb der Verbrennungskammer des Motors ermöglicht wird. Da diese Kraftstoffstrahlen und ihre kraftstoffreichen Kerne unter Verwendung des stumpfen Körpers 36 geteilt werden, können die geteilten Kraftstoffstrahlen oxidiert werden, um die Verbrennung mit verringerten Rußemissionen zu erreichen.
Darüber hinaus kann durch Vorsehen der ersten und zweiten Öffnungen 50, 52 zusammen mit dem Durchgang 54 ein Druck innerhalb der Verbrennungskammer 12 normalisiert werden, um zu helfen, das Oxidationsmittel innerhalb der ersten Öffnung 50 mitzuführen und das mitgeführte Oxidationsmittel zu der zweiten Öffnung 52 hin zu leiten, um sich mit den geteilten Kraftstoffströmen zu mischen und dadurch ein größeres Maß an Oxidation zu ermöglichen und die Verringerung der Rußmenge aus der Verbrennung zu unterstützen. Dadurch können schädliche Effekte, die durch Ruß verursacht werden, etwa das Verschlammen von Schmiermittel oder anderen Fluiden in einem Verbrennungsmotor, verringert werden.
Während Aspekte der vorliegenden Offenbarung insbesondere unter Bezugnahme auf die obigen Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, wird dem Fachmann klar sein, dass verschiedene zusätzliche Ausführungsformen durch Abwandlung der offenbarten Maschinen, Systeme, Verfahren und Prozesse in Betracht gezogen werden, ohne vom Geist und Umfang des Offenbarten abzuweichen. Solche Ausführungsformen sollen ebenfalls in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen, auf der Grundlage der Ansprüche und jeglicher Äquivalente davon.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6176087 [0004]

Claims

Verbrennungssystem (14) für einen Verbrennungsmotor (10), wobei das Verbrennungssystem (14) umfasst: eine Verbrennungskammer (12), die zwischen einem Zylinderkopf (22) und einer oberen Oberfläche (20) eines Kolbens (16) definiert ist, eine Kraftstoffeinspritzdüse (28) mit einer Einspritzdüsenspitze (30), die eine Strahldüse (32) definiert, wobei die Strahldüse (32) in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer (12) angeordnet ist, um einen Kraftstoffstrahl (34) in die Verbrennungskammer (12) abzugeben; und einen stumpfen Körper (36), der so innerhalb der Verbrennungskammer (12) positioniert ist, dass eine Achse (AA') des abgegebenen Kraftstoffstrahls (34) auf einen vorderen Abschnitt (38) des stumpfen Körpers (36) nahe der Einspritzdüsenspitze (30) trifft, wobei der vordere Abschnitt (38) eine Kontur aufweist, die dazu geeignet ist, zumindest einen Abschnitt des abgegebenen Kraftstoffstrahls (34) in zumindest zwei turbulente Kraftstoffströme zu teilen und das Mischen eines jeden Kraftstoffstroms mit einem Oxidationsmittel zu erleichtern, das in der Verbrennungskammer (12) vorliegt.
Verbrennungssystem (14) nach Anspruch 1, wobei der stumpfe Körper (36) einen hinteren Abschnitt (40) aufweist, der eine erste Öffnung (50) quer zu der Achse (AA') des abgegebenen Kraftstoffstrahls (34) und eine zweite Öffnung (52) distal von der Einspritzdüsenspitze (30) und parallel zu der Achse (AA') des abgegebenen Kraftstoffstrahls (34) definiert.
Verbrennungssystem (14) nach Anspruch 2, wobei die erste Öffnung (50) über einen Durchgang (54) so in Fluidverbindung mit der zweiten Öffnung (52) steht, dass die erste Öffnung (50) dazu ausgestaltet ist, ein Oxidationsmittel von einem Abschnitt der Verbrennungskammer (12) benachbart zu der ersten Öffnung (50) mitzuführen und das mitgeführte Oxidationsmittel an einen Abschnitt der Verbrennungskammer (12) benachbart zu der zweiten Öffnung (52) über den Durchgang (54) zu kommunizieren.
Verbrennungssystem (14) nach Anspruch 3, wobei eine Kontur des hinteren Abschnitts (40) zumindest eines aus Folgendem ist: zur Achse (AA') des abgegebenen Kraftstoffstrahls (34) zusammenlaufend und auseinanderlaufend.
Verbrennungssystem (14) nach Anspruch 1, wobei die Kontur des vorderen Abschnitts (38) einer Strömungsrichtung des Kraftstoffstrahls (34) entgegengesetzt konvex ist.
Verbrennungssystem (14) nach Anspruch 5, wobei ein maximaler Umfang (M_p) des vorderen Abschnitts (38) eines aus Folgendem ist: zumindest gleich und kleiner als ein Umfang, der einem Sprühnebelmuster des abgegebenen Kraftstoffstrahls (34) zugeordnet ist, das auf den vorderen Abschnitt (38) trifft.
Verbrennungssystem (14) nach Anspruch 1, wobei die Kontur des vorderen Abschnitts (38) einen Scheitel (44) umfasst, der einer Strömungsrichtung des Kraftstoffstrahls (34) entgegengesetzt ist.
Verbrennungssystem (14) nach Anspruch 1, wobei der stumpfe Körper (36) zumindest eine der folgenden Gestalten aufweist: länglich, sphärisch und polyedrisch.
Verbrennungssystem (14) nach Anspruch 8, wobei die polyedrische Gestalt des stumpfen Körpers (36)eine Vielzahl von konkaven und konvexen Abschnitten in einer abwechselnden Anordnung um die Achse (AA') des abgegebenen Kraftstoffstrahls (34) herum definiert.
Verbrennungssystem (14) nach Anspruch 9, wobei die erste Öffnung (50) sich an zumindest einem aus Folgenden befindet: den konkaven und konvexen Abschnitten des stumpfen Körpers (36).