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Querverweis auf Verwandte Anmeldungen
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Anmeldenr. 62/058,958, eingereicht am 2. Oktober 2014, mit dem Titel “VARIABLE HOLE SIZE NOZZLE AND SPRAY ANGLE FUEL INJECTOR AND MHBIB”, deren vollständige Offenbarung hier ausdrücklich durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Kraftstoffeinspritzdüsen- und Kolbenmuldenform-Konfigurationen zum Gebrauch in einem Kraftstoffeinspritzsystem für eine Verbrennungskraftmaschine. Genauer gesagt sind die variablen Düsenlöcher und die Kolbenmuldenform in Kombination oder getrennt konfiguriert, um eine verbesserte Kraftstoffdispersion in der Brennkammer zu bewirken, um den Verbrennungswirkungsgrad zu erhöhen und Emissionen zu verringern.
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Hintergrund
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Verbrennungskraftmaschinen erzeugen Luftschadstoffe aufgrund von unvollständiger Kraftstoffverbrennung. Derivate der unvollständigen Verbrennung sind Kohlenstoffdioxid, Wasser und Rauch, der auch als Feinstaub bekannt ist. Diese Emissionen werden von der Regierung streng geregelt. Die Emission von Nebenprodukten des Verbrennungsprozesses hängt teilweise von der Kraftstoff-Luft-Mischung in der Brennkammer ab. Eine ineffiziente Weise, die gegenwärtig bekannt ist, besteht darin, die Emission von Feinstaub durch Erhöhen der Menge an Luft zu erhöhen, die während des Verbrennungsprozesses verwendet wird. Eine derartige Erhöhung führt jedoch zu erhöhter Erzeugung von Stickoxiden (NOx), was ebenfalls streng geregelt ist. Um die Erzeugung von NOx zu verringern, wird ein höherer Grad an Abgasrückführung (EGR = exhaust gas recirculation) verwendet, wobei jedoch eine derartige Verwendung leider dazu führt, dass erhöhte Mengen von Feinstaub erzeugt werden. Andere Verfahren, wie später Einspritzzeitpunkt und hoher Einspritzdruck können verwendet werden, um Emissionen von sowohl NOx als auch von Feinstaub zu verringern, wobei diese jedoch hohe Anfangskosten aufweisen.
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Die Verbrennungskraftmaschine kann gewöhnlicher Weise in zwei Motorbetriebszustände, nämlich den niedrigen Motorbelastungszustand und den hohen Motorbelastungszustand, geteilt werden. Im Niedriglastzustand stellt die Steuerung der Emission von Feinstaub eine sehr große Herausforderung dar. Sie muss jedoch weiterhin den strengen Regierungsvorschriften entsprechen. Während des niedrigen Motorbelastungsbetriebs ist die Luftdichte in den Brennkammern sehr niedrig, was der Sprühdurchdringung von Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzdüse wenig Widerstand entgegenbringt. Daher ist es mit der gegenwärtig bekannten Technologie schwierig, den Emissionsvorschriften zu entsprechen.
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Die Düse einer Direkteinspritz-Kraftstoffeinspritzdüse kann mehrere Löcher aufweisen, um die Kraftstoffmenge in die Brennkammer zu dispergieren. Der Durchmesser und der Sprühwinkel der Düsenlöcher weisen ebenfalls eine sehr starke Wirkung auf die Verbrennungseigenschaften auf. Im Allgemeinen weisen alle Sprühlöcher den gleichen Durchmesser und Winkel auf. Daher weisen derartige Kraftstoffeinspritzdüsen eine gleichförmige Sprühdurchdringung auf. Düsenlöcher mit großem Durchmesser können signifikante Herausforderungen beim Erfüllen von Emissionsvorschriften unter niedrigen Motorbelastungszuständen darstellen. Aufgrund von gleichförmiger Sprühdurchdringung gibt es entweder eine unzureichende Menge an Energie in dem Kraftstoffspray oder eine unzureichende Luftbewegung im Zylinder, um die Luft und den Kraftstoff, wie für eine effiziente Verbrennung erforderlich, ordnungsgemäß zu vermischen. Diese Unzulänglichkeiten führen häufig zu unvollständiger Verbrennung und folglich zu der Emission von höheren Mengen von Feinstaub.
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Es bleibt somit eine Notwendigkeit in der Technik für Einrichtungen, Verfahren und Systemen von verschiedenen Düsenlöchern und Kolbenmuldenformen, die, wenn sie zusammen oder getrennt verwendet werden, weniger Feinstaub erzeugen und dem Motor erlauben, Emissionsvorschriften zu erfüllen, ohne die Leistung von Nachbehandlungssystemen und die Lebensdauer zu opfern.
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Zusammenfassung
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In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Ausführungsform eine Kraftstoffeinspritzdüse bereit, die umfasst: einen Düsenkörper, der ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, eine obere Reihe von Düsenlöchern, die gleichmäßig um einen ersten Umfang des Düsenkörpers beabstandet sind, und eine untere Reihe von Düsenlöchern, die zwischen dem distalen Ende und der oberen Reihe von Düsenlöchern lokalisiert sind, wobei die obere Reihe eine erste Anzahl von Löchern aufweist, die größer als eine zweite Anzahl von Löchern in der unteren Reihe ist, und wobei eine der ersten Anzahl von Löchern und der zweiten Anzahl von Löchern ungerade ist. Gemäß einem zweiten Aspekt dieser Ausführungsform weisen die Düsenlöcher der oberen Reihe jeweils einen ersten Durchmesser auf und die Düsenlöcher der unteren Reihe jeweils einen zweiten Durchmesser auf, wobei der erste Durchmesser ein Verhältnis zu dem zweiten Durchmesser im Bereich von 3,2:1 bis 1,5:1 aufweist. In einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform weisen die Düsenlöcher der oberen Reihe jeweils einen ersten Winkel relativ zu einer horizontalen Achse des Düsenkörpers aufweisen und die Düsenlöcher der unteren Reihe jeweils einen zweiten Winkel relativ zu der horizontalen Achse auf, wobei der erste Winkel ein Verhältnis zu dem zweiten Winkel im Bereich von 0,5:1 bis 1,5:1 aufweist. In noch einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform sind die Düsenlöcher der oberen Reihe konfiguriert, eine Kraftstoffschwade bereitzustellen, die einer Form einer Kolbenmulde entspricht. Ein anderer Aspekt dieser Ausführungsform umfasst ferner ein Düsenloch an einer Mitte des Bodens des Düsenkörpers. In einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform umfasst jedes Düsenloch einen Einlass, der einen Einlassdurchmesser aufweist, einen Auslass, der einen Auslassdurchmesser aufweist, und einen Durchgang, der sich zwischen dem Einlass und dem Auslass durch den Düsenkörper erstreckt, wobei der Einlassdurchmesser von dem Auslassdurchmesser unterschiedlich ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Kolben bereitgestellt, der umfasst: eine Kolbenkrone, die sich entlang eines Umfangs des Kolbens erstreckt und eine oberste Oberfläche des Kolbens definiert, wobei die Kolbenkrone ein Volumen definiert, das konfiguriert ist, um Kraftstoff aufzunehmen, eine erste Kolbenmulde, die radial einwärts von der Kolbenkrone lokalisiert ist, wobei die erste Kolbenmulde eine Bodenoberfläche und einen größten Durchmesser an einer Grenzfläche zwischen einer äußeren ringförmigen Wand der ersten Kolbenmulde und der obersten Oberfläche des Kolbens aufweist, eine zweite Kolbenmulde, die radial einwärts von der Bodenoberfläche der ersten Kolbenmulde lokalisiert ist und einen oberen Rand aufweist, der unterhalb der obersten Oberfläche des Kolbens lokalisiert ist, eine dritte Kolbenmulde, die radial einwärts der zweiten Kolbenmulde lokalisiert ist und einen oberen Rand aufweist, der unterhalb der obersten Oberfläche des Kolbens lokalisiert ist, und einen kegelstumpfförmigen Abschnitt, der radial einwärts von einem Boden der dritten Kolbenmulde lokalisiert ist und eine obere Oberfläche aufweist, die unterhalb der obersten Oberfläche des Kolbens lokalisiert ist. Ein weiterer Aspekt dieser Ausführungsform umfasst ferner einen kegelstumpfförmigen äußeren Bodenabschnitt, der eine Innenwand der zweiten Kolbenmulde und eine Außenwand der dritten Kolbenmulde verbindet, wobei eine Einlasslippe gebildet wird. In einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform umfassen die ersten, die zweiten und die dritten Kolbenmulden jeweils ringförmige konkave Abschnitt. In noch einem anderen Aspekt ist eine Kraftstoffeinspritzdüse konfiguriert, um eine Kraftstoffschwade bereitzustellen, die einer Form des Kolbens entspricht. Gemäß noch einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform weist die Kolbenkrone eine innere untere Oberfläche auf, die mit einer Bodenoberfläche der Kolbenkrone übereinstimmt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verbrennungssystem bereitgestellt, das umfasst: eine Brennkammer, eine Kraftstoffeinspritzdüse, die in Strömungskommunikation mit der Brennkammer angeordnet ist, wobei die Kraftstoffeinspritzdüse umfasst: eine obere Reihe von Düsenlöchern, die jeweils einen ersten Sprühwinkel relativ zu einer Mittelachse der Kraftstoffeinspritzdüse und einen ersten Durchmesser aufweisen, und eine untere Reihe von Düsenlöchern, die jeweils einen zweiten Sprühwinkel relativ zu der Mittelachse der Kraftstoffeinspritzdüse und einen zweiten Durchmesser aufweisen, und einen Kolben, der in der Brennkammer angeordnet ist, der eine Mittelachse aufweist, die koaxial mit der Mittelachse der Kraftstoffeinspritzdüse ist, und eine Kolbenkrone an einer obersten Oberfläche des Kolbens, wobei die Kolbenkrone ein Volumen definiert, das konfiguriert ist, um Kraftstoff aufzunehmen, wobei der Kolben eine erste Kolbenmulde umfasst, die radial einwärts von der Kolbenkrone lokalisiert ist, wobei die erste Kolbenmulde aufweist: eine Bodenoberfläche und einen größten Durchmesser an einer Grenzfläche zwischen einer äußeren ringförmigen Wand der ersten Kolbenmulde und der obersten Oberfläche des Kolbens, eine zweite Kolbenmulde, die radial einwärts von der Bodenoberfläche der ersten Kolbenmulde lokalisiert ist und einen oberen Rand aufweist, unterhalb der obersten Oberfläche des Kolbens lokalisiert ist, eine dritte Kolbenmulde, die radial einwärts der zweiten Kolbenmulde lokalisiert ist und einen oberen Rand aufweist, der unterhalb der obersten Oberfläche des Kolbens lokalisiert ist, und einen kegelstumpfförmigen Abschnitt, der radial einwärts eines Bodens der dritten Kolbenmulde lokalisiert ist und einen oberen Rand aufweist, der unterhalb der obersten Oberfläche des Kolbens lokalisiert ist. Gemäß einem Aspekt dieser Ausführungsform umfasst die Kraftstoffeinspritzdüse ein Kraftstoffeinspritzdüsenloch, das auf der Mittelachse der Kraftstoffeinspritzdüse an einem Ende der Kraftstoffeinspritzdüse zentriert ist. Gemäß einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform weist der erste Durchmesser der oberen Reihe von Düsenlöchern ein Verhältnis zu dem zweiten Durchmesser der unteren Reihe von Düsenlöchern in einem Bereich von 3,2:1 bis 1,5:1 auf. In einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform weist der erste Winkel der oberen Reihe von Düsenlöchern ein Verhältnis zu dem zweiten Winkel der unteren Reihe von Düsenlöchern in einem Bereich von 0,5:1 bis 1,5:1 auf. In noch einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform ist die obere Reihe von Düsenlöchern auf der Düse positioniert, um Kraftstoff auf eine Art und Weise einzuspritzen, so dass er auf eine ringförmige Außenwand der zweiten Kolbenmulde auftrifft. In noch einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform ist die die untere Reihe von Düsenlöchern auf der Düse positioniert, um Kraftstoff auf eine Art und Weise einzuspritzen, so dass er auf die dritte Kolbenmulde auftrifft.
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In noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Kolben bereitgestellt, der umfasst: eine Kolbenkrone, die sich entlang eines Umfangs des Kolbens erstreckt und eine oberste Oberfläche des Kolbens definiert, wobei die Kolbenkrone ein Volumen definiert, das konfiguriert ist, um Kraftstoff aufzunehmen, einen kegelstumpfförmigen Abschnitt, der an einer Mitte des Kolbens lokalisiert ist, wobei der kegelstumpfförmige Abschnitt eine obere Oberfläche aufweist, die unterhalb der obersten Oberfläche des Kolbens lokalisiert ist, einen ersten konkaven Abschnitt, der sich radial auswärts von dem kegelstumpfförmigen Abschnitt erstreckt, wobei der erste konkave Abschnitt einen ersten Radius mit einer Mitte aufweist, die an einem ersten Abstand von der obersten Oberfläche des Kolbens lokalisiert ist, einen kegelstumpfförmigen äußeren Boddenabschnitt, der sich radial auswärts von dem ersten konkaven Abschnitt erstreckt, einen zweiten konkaven Abschnitt, der sich radial auswärts von dem kegelstumpfförmigen äußeren Bodenabschnitt erstreckt, wobei der zweite konkave Abschnitt einen zweiten Radius mit einer Mitte aufweist, die an einem zweiten Abstand von der obersten Oberfläche des Kolbens lokalisiert ist, wobei der zweite Radius des zweiten konkaven Abschnitts größer als der erste Radius des ersten konkaven Abschnitts ist, und der zweite Abstand größer als der erste Abstand ist, einen ersten konvexen Abschnitt, der sich radial auswärts von dem zweiten konkaven Abschnitt erstreckt, wobei der erste konvexe Abschnitt einen dritten Radius mit einer Mitte aufweist, der an einem dritten Abstand von der obersten Oberfläche des Kolbens lokalisiert ist, wobei der dritte Abstand geringer als der zweite Abstand ist, und einen dritten konkaven Abschnitt, der sich radial auswärts von dem ersten konvexen Abschnitt erstreckt, wobei der dritte konkave Abschnitt einen vierten Radius mit einer Mitte aufweist, die an einem vierten Abstand von der obersten Oberfläche des Kolbens lokalisiert ist, wobei der vierte Abstand geringer als der erste Abstand ist. Ein Aspekt dieser Ausführungsform umfasst ferner einen gekrümmten Vorsprung, der eine Einlasslippe an einer Kreuzung einer äußeren Oberfläche des ersten konkaven Abschnitts und des kegelstumpfförmigen äußeren Bodenabschnitts bildet.
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In einer Ausführungsform wird ein Verfahren breitgestellt, das umfasst: Einspritzen einer Kraftstoffschwade in eine Brennkammer zu einer äußeren Mulde eines Kolbens hin, und Auftreffen der Kraftstoffschwade auf eine Einlasslippe, die zwischen der äußeren Mulde und einer inneren Mulde des Kolbens ausgebildet ist, wobei die Einlasslippe den Kraftstoff bei Aufprall umleitet, um Turbulenz und zusätzliche Kraftstoff-Luft-Vermischung in einer mittleren Region des Kolbens bereitzustellen. In einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform ist die äußere Kolbenmulde konfiguriert, um eingespritzten Kraftstoff radial einwärts und aufwärts zu einer Kolbenkrone hin umzuleiten.
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In noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren bereitgestellt, das umfasst: Betreiben einer Kraftstoffeinspritzdüse als Reaktion auf einen niedrigen Motorbelastungszustand, so dass ein erstes Kraftstoffeinspritzereignis auftritt, bei dem der Kraftstoff in eine Brennkammer von einer Düse der Einspritzdüse eingespritzt wird, die eine Mehrzahl von Löchern aufweist, die in einer unteren Reihe und einer oberen Reihe angeordnet sind, wobei das erste Kraftstoffeinspritzereignis mindestens einen Abschnitt des Kraftstoffs von der unteren Reihe einspritzt, und Betreiben der Kraftstoffeinspritzdüse als Reaktion auf einen hohen Motorbelastungszustand, so dass ein zweites Kraftstoffeinspritzereignis auftritt, bei dem Kraftstoff von der unteren Reihe und von der oberen Reihe eingespritzt wird, wobei der Kraftstoff, der bei dem ersten Kraftstoffeinspritzereignis eingespritzt wird, ein vorbestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einer mittleren Region eines Kolbens aufrechterhält. In einem anderen Aspekt dieser Ausführungsform, wobei das Betreiben der Kraftstoffeinspritzdüse als Reaktion auf einen niedrigen Motorbelastungszustand ein Lenken des Kraftstoffs durch die untere Reihe mit einem ersten Winkel relativ zu einer Ebene umfasst, der eine oberste Oberfläche des Kolbens enthält, und das Betreiben der Kraftstoffeinspritzdüse als Reaktion auf einen hohen Motorbelastungszustand ein Lenken des Kraftstoffs durch die obere Reihe mit einem zweiten Winkel relativ zu der Ebene umfasst, ist der erste Winkel größer als der zweite Winkel.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die oben erwähnten und weiteren Merkmale dieser Offenbarung und die Art und Weise, in der diese erhalten werden, werden offensichtlicher und die Offenbarung selbst besser durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verstanden, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wurde, in denen zeigen:
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1 eine geschnittene Seitenansicht, die ein Verbrennungssystem mit einer ersten Kolbenausführungsform gemäß vorliegenden Offenbarung zeigt;
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2 eine vergrößerte Ansicht eines Düsenlochs der Kraftstoffeinspritzdüse gemäß 1;
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3 eine geschnittene Seitenansicht, die einen Kraftstoffeinspritzdüse zeigt;
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3A eine geschnittene Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzdüse;
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3B eine Unteransicht der alternativen Ausführungsform Kraftstoffeinspritzdüse gemäß 3;
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4A eine geschnittene Unteransicht der Kraftstoffeinspritzdüse gemäß 3; und
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4B eine geschnittene Unteransicht der Kraftstoffeinspritzdüse von 3A und 3B.
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Obwohl die Zeichnungen Ausführungsformen der verschiedenen Merkmale und Komponenten gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellen, sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und bestimmte Merkmale können übertrieben sein, um die vorliegende Offenbarung besser zu veranschaulichen und zu erläutern. Die hier dargelegte beispielhafte Erläuterung veranschaulicht Ausführungsformen der Offenbarung, und derartige beispielhafte Erläuterungen sind nicht als den Umfang der Offenbarung in irgendeiner Art und Weise beschränkend auszulegen.
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Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
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Zum Zweck des Förderns eines Verständnisses der Prinzipien der Offenbarung wird nun Bezug auf die in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsformen genommen, die nachstehend beschrieben werden. Es versteht sich dennoch, dass keine Beschränkung des Umfangs der Offenbarung dadurch bestimmt ist. Die Offenbarung umfasst jegliche Änderungen und weitere Modifikationen in der veranschaulichten Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren und weiteren Anwendungen der Prinzipien der Offenbarung, die normalerweise einem Fachmann in den Sinn kommen würden, auf die sich die Offenbarung bezieht. Außerdem wurden die Ausführungsformen für die Beschreibung ausgewählt, um einem Fachmann zu ermöglichen, die Offenbarung zu praktizieren.
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Mit Bezug nun auf 1 wird ein Verbrennungssystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung anschaulich dargestellt, das eine Kraftstoffeinspritzdüse 102 (nicht vollständig gezeigt), einen Zylinder 104 und einen Kolben 106 umfasst. Die Kraftstoffeinspritzdüse 102 umfasst einen Düsenkörper 108, ein proximales Ende 110 und ein distales Ende 112. In dieser Ausführungsform umfasst die Kraftstoffeinspritzdüse 102 eine einzige Reihe von Löchern 114 zwischen dem proximalen Ende 110 und dem distalen Ende 112 des Düsenkörpers 108. Die Löcher 114 sind auf dem Düsenkörper 108 lokalisiert. Die Löcher 114 können unterschiedliche Durchmesser oder den gleichen Durchmesser aufweisen. Jedes Loch 114 weist einen Sprühwinkel relativ zu einer Ebene senkrecht zu einer Mittelachse 116 des Düsenkörpers 108 auf. Die Löcher 114 können unterschiedliche Sprühwinkel oder den gleichen Sprühwinkel aufweisen. Die Löcher 114 sind in einem regelmäßigen Intervall um einen Umfang des Düsenkörpers 108 angeordnet.
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Der Zylinder 104 umfasst im Allgemeinen einen Zylinderhohlraum 122 und einen Kolben 106. Der Zylinder 104 ist im Allgemeinen in einem Motorblock (nicht gezeigt) ausgebildet. Ein Zylinderkopf (nicht gezeigt) ist auf einer obersten Oberfläche 126 des Zylinders 104 positioniert. Die Bodenoberfläche des Zylinderkopfs ist an dem Motorblock befestigt, der den Zylinder 104 von seiner obersten Oberfläche 126 schließt und eine Brennkammer 136 bildet. Der Kolben 106 ist innerhalb des Zylinders 104 verschiebbar angeordnet. Der Zylinderkopf umfasst einen Abgasdurchgang (nicht gezeigt), einen Ansaugdurchgang (nicht gezeigt) und eine Einspritzdüsenbohrung (nicht gezeigt). Die Kraftstoffeinspritzdüse 102 ist sicher in der Einspritzdüsenbohrung angebracht, die innerhalb des Zylinderkopfs zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer 136 ausgebildet ist. Der in dem Zylinderkopf ausgebildete Abgasdurchgang lenkt Abgase der Brennkammer 136 und ein Ansaugdurchgang lenkt Ansaugluft in die Brennkammer 136.
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Der Kolben 106 umfasst im Allgemeinen eine herabhängende zylindrische Wand 128, eine oberste Oberfläche 134, eine Kolbenkrone 130 und eine untere Oberfläche 132. Die Mittelachse 116 der Kraftstoffeinspritzdüse 102 ist ebenfalls eine Mittelachse des Kolbens 106. Die oberste Oberfläche 134 des Kolbens 106 arbeitet mit dem Zylinderkopf und einem Abschnitt des Zylinders 104 zusammen, der sich zwischen dem Zylinderkopf und dem Kolben 106 erstreckt, um die Brennkammer 136 zu definieren. Die zylindrische Wand 128 umfasst eine Mehrzahl von ringförmigen Nuten 118 zum Aufnehmen entsprechender Kolbenringe 120, die ausgestaltet sind, um eine relativ leichten Verbrennungsgasdichtung zwischen dem Kolben 106 und dem Zylinder 104 zu bilden. Obwohl in 1 nicht eigens gezeigt, ist der Kolben 106 mit einer Kurbelwelle mittels einer Verbindungsstange verbunden, die bewirkt, dass sich der Kolben 106 entlang eines geradlinigen Weges innerhalb des Zylinders 106 hin und her bewegt, während sich die Kurbelwelle auf eine Art und Weise dreht, die in der Technik bekannt ist.
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Weiterhin wird mit Bezug auf 1 ein oberer Abschnitt des Kolbens 106 als Kolbenkrone 130 bezeichnet. Die Kolbenkrone 130 ist konfiguriert, um Kraftstoff von der Kraftstoffeinspritzdüse 102 aufzunehmen. Die Kolbenkrone 130 umfasst ferner eine oberste Fläche, welche die Brennkammer 136 teilweise bildet, und eine äußere Mulde oder erste Kolbenmulde 138, die durch einen nach außen öffnenden Hohlraum gebildet wird. Die erste Kolbenmulde 138 weist eine Bodenoberfläche 140 und einen größten Durchmesser an einer Grenzfläche zwischen der obersten Oberfläche 134 des Kolbens 106 und einer ringförmigen Innenwand der ersten Kolbenmulde 138 auf. Eine Haupt- oder zweite Kolbenmulde 142 ist zentral innerhalb der ersten Kolbenmulde 138 lokalisiert, so dass ein oberer Rand 170 der zweiten Kolbenmulde 142 niedriger als die oberste Oberfläche 134 des Kolbens 106 ist. Eine dritte Kolbenmulde 146 ist radial innerhalb der zweiten Kolbenmulde 142 lokalisiert. Auf ähnliche Weise zu der zweiten Kolbenmulde 142 ist ein oberer Rand 172 der dritten Kolbenmulde 146 niedriger als die oberste Oberfläche 134 des Kolbens 106. Ein kegelstumpfförmiger Abschnitt 152 ist innerhalb der dritten Kolbenmulde 146 lokalisiert. Eine kegelstumpfförmiger äußerer Bodenabschnitt 149 verbindet eine Außenwand der dritten Kolbenmulde 146 und eine Innenwand der zweiten Kolbenmulde 142, um eine ringförmige Spraytargeting-Lippe oder Einlasslippe 150 zu bilden.
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Die erste Kolbenmulde 138 bildet einen konkaven Abschnitt, der einen Radius R4 aufweist. Der Radius R4 weist eine Mitte 164 auf, die an einem Abstand D4 von einer Ebene 124 lokalisiert ist, welche die oberste Oberfläche 134 des Kolbens 106 umfasst. Auf ähnliche Weise bildet die zweite Kolbenmulde 142 einen ringförmigen konkaven Abschnitt mit einem Radius R2. Der Radius R2 weist eine Mitte 156 auf, die an einem Abstand D2 von der Ebene 124 lokalisiert ist. Ein konvexer Abschnitt 158 ist zwischen der ersten Kolbenmulde 138 und der zweiten Kolbenmulde 142 ausgebildet und weist einen Radius R3 auf. Der Radius R3 weist eine Mitte 160 auf, die an einem Abstand D3 von der Ebene 124 lokalisiert ist. Die dritte Kolbenmulde 146 bildet einen ringförmigen konkaven Abschnitt, der einen Radius R1 mit einer Mitte 162 aufweist, die an einem Abstand D1 von der Ebene 124 lokalisiert ist.
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Verschiedene hier obenstehend beschriebene Merkmale sind in einer bestimmten Beziehung zueinander positioniert, wie nachstehend beschrieben. Eine Bodenoberfläche 144 der zweiten Kolbenmulde 142 ist niedriger (relativ zu der Ebene 124) als die Bodenoberfläche 140 der ersten Kolbenmulde 138. Außerdem ist eine Bodenoberfläche 148 der dritten Kolbenmulde 146 höher als die Bodenoberfläche 144 der zweiten Kolbenmulde 142. Des Weiteren ist der größte Durchmesser der zweiten Kolbenmulde 142 kleiner als der größte Durchmesser der ersten Kolbenmulde 138 und der größte Durchmesser der dritten Kolbenmulde 146 ist kleiner als der größte Durchmesser der zweiten Kolbenmulde 142. Schließlich ist die obere Oberfläche 154 des kegelstumpfförmigen Abschnitts 152 niedriger als die oberste Oberfläche 134 des Kolbens 106.
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Im radialen Abstand von der Mittelachse 116 des Kolbens 106 ist die Mitte 156 des Radius R2 zwischen der Mittelachse 116 des Kolbens 106 und der Mitte 160 des Radius R3 positioniert. Die Mitte 162 des Radius R1 ist zwischen der Mittelachse 116 des Kolbens 106 und der Mitte 156 des Radius R2 positioniert. Die Mitte 164 des Radius R4 ist zwischen der Mitte 156 des Radius R2 und der Mitte 160 des Radius R3 positioniert. Mit Bezug auf axiale Abstände ist der Abstand D2 größer als D1, der seinerseits größer als D4 ist (D2 > D1 > D4). Der Abstand D2 ist ebenfalls größer als D3. Außerdem ist mit Bezug auf verschiedene hier obenstehend beschriebene Radien von konkaven und konvexen Abschnitten der Radius R1 kleiner als der Radius R2 (R1 < R2).
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Fortfahrend mit 1, tritt von Löchern 114 eingespritzter Kraftstoff in die Brennkammer 136 mit unterschiedlichen Winkeln oder dem gleichen Winkel ein, wobei ein nominaler Kegel entlang des Kraftstoffsprühsichtbereiches gebildet wird. Wenn der Kraftstoff die Löcher 114 verlässt, zerteilt er sich nach Erreichen einer kritischen Flüssigkeitslänge abhängig von Strömungsbedingungen und Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise der Kraftstoffviskosität. Beim Zerteilen nimmt der gesprühte Kraftstoff eine nominal konische Form (wie in 1 gezeigt) mit einem bestimmten Kegelwinkel an. Ein Volumenabschnitt von gesprühtem Kraftstoff trifft die zweite Kolbenmulde 142, wobei jedoch ein kleiner Abschnitt der Einlasslippe 150 abgeschert und zu der dritten Kolbenmulde 146 hin umgeleitet wird, wobei eine Strömungsbewegung erzeugt wird, wie in 1 gezeigt. Dieser umgeleitete Kraftstoff vermischt sich mit unverbrauchter Luft an der Mitte der Brennkammer 136, um dadurch Turbulenz zur verbesserten Verbrennung hinzuzufügen.
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Mit Bezug nun auf 2 wird eine vergrößerte Ansicht eines der Löcher 114 anschaulich dargestellt. Die Löcher 114 oder Bohrungen umfassen einen Einlass 202, einen Auslass 204 und einen Durchgang 210. Der Durchgang 210 erstreckt sich zwischen dem Einlass 202 und dem Auslass 204 durch den Düsenkörper 108. Ein unter hohem Druck stehender Kraftstoff strömt von dem Einlass 202 zu dem Auslass 204 über den Durchgang 201. Der Einlass 202 weist einen Durchmesser auf, der anders als ein Durchmesser des Auslasses 204 ist. In diesem Beispiel ist der Einlassdurchmesser größer als der Auslassdurchmesser. Des Weiteren weist der Einlass 202 gekrümmte Ränder auf, die konfiguriert sind, um Turbulenz zu verringern, die Kavitation verursachen kann. Es sollte aus der obigen Beschreibung verstanden werden, dass jede Kombination des Durchmessers des Einlasses 202 und des Durchmessers des Auslasses 204 in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst sein kann.
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Mit Bezug nun auf 3 wird eine Kraftstoffeinspritzdüse 300 (nicht vollständig gezeigt) anschaulich dargestellt, die mehrere Reihen von Düsenlöchern aufweist. Die Kraftstoffeinspritzdüse 300 umfasst einen Düsenkörper 302, ein proximales Ende 304, ein distales Ende 306, eine obere Reihe von Düsenlöchern 308, eine untere Reihe von Düsenlöchern 310 und eine Mittelachse 312. Die obere Reihe von Düsenlöchern 308 ist zwischen dem proximalen Ende 304 und dem distalen Ende 306 des Düsenkörpers 302 positioniert, um einer Sprühwolke zu erlauben, die von der oberen Reihe von Düsenlöchern 308 ausgeht, eine allgemeine konische Form zu bilden und sich mit Luft hoher Temperatur in einer Hauptkolbenmulde in einer Brennkammer zu vermischen (wie beispielsweise der zweiten Kolbenmulde 142 von 1). Die untere Reihe von Düsenlöchern 310 ist zwischen der oberen Reihe von Düsenlöchern 308 und dem distalen Ende 306 des Düsenkörpers 302 positioniert, um unter hohem Druck stehenden Kraftstoff zu erlauben, in eine Brennkammer mit einem hohen Druck zu strömen, um eine gründliche Vermischung von Kraftstoff mit hoher Temperatur und komprimierter Luft in einer mittleren Region der Brennkammer einzuleiten.
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Jedes Loch der oberen Reihe 308 umfasst einen ersten Durchmesser und einen ersten Sprühwinkel oder einen Hauptkraftstoffsprühwinkel relativ zu einer Ebene horizontal zu der Mittelachse 312. Auf ähnliche Weise umfasst jedes Loch der unteren Reihe 310 einen zweiten Durchmesser und einen zweiten Sprühwinkel relativ zu einer Ebene horizontal zu der Mittelachse 312. Jedes Loch der oberen Reihe 308 ist äquidistant von einem anderen um einen Umfang der oberen Reihe platziert. Des Weiteren ist die Gesamtanzahl von Löchern in jeder der oberen Reihe 308 und der unteren Reihe 310 immer unterschiedlich, so dass, wenn die Gesamtanzahl der Löcher in der oberen Reihe von Düsenlöchern 308 eine gerade Anzahl ist, dann die Gesamtanzahl von Löchern in der unteren Reihe von Düsenlöchern 310 eine ungerade Anzahl ist. Außerdem kann dann, wenn die Gesamtanzahl von Löchern in der oberen Reihe von Düsenlöchern 308 eine ungerade Anzahl ist, die Gesamtanzahl von Löchern in der unteren Reihe von Düsenlöchern 310 eine gerade Anzahl oder eine ungerade Anzahl sein.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist ein Verhältnis zwischen dem ersten Durchmesser der oberen Reihe von Löchern 308 und dem zweiten Durchmesser der unteren Reihe von Löchern 310 innerhalb eines Bereichs von 3,2:1 bis 1,5:1. Des Weiteren ist ein Verhältnis zwischen dem ersten Sprühwinkel der oberen Reihe von Löchern 308 und dem zweiten Sprühwinkel der unteren Reihe von Löchern 310 innerhalb eines Bereichs von 0,5:1 bis 1,5:1. Abhängig von der Implementierung der vorliegenden Offenbarung kann das Verhältnis zwischen dem ersten Durchmesser der oberen Reihe von Löchern 308 und dem zweiten Durchmesser der unteren Reihe von Löchern 310 höher oder niedriger sein. Auf ähnliche Weise kann das Verhältnis zwischen dem ersten Sprühwinkel der oberen Reihe von Löchern 308 und dem zweiten Sprühwinkel der unteren Reihe von Löchern 310 höher oder niedriger basierend auf der Implementierung der vorliegenden Offenbarung sein.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Loch 316 an einer Bodenmitte des distalen Endes 306 des Düsenkörpers 302. Der Durchmesser und der Sprühwinkel des Lochs 316 der Bodenmitte ist der gleiche oder anders als der erste Durchmesser und der erste Sprühwinkel der oberen Reihe 308 und der zweite Durchmesser und der zweite Sprühwinkel der unteren Reihe 310. Wie oben erläutert, ist die Gesamtanzahl von Löchern in jeweils der oberen Reihe 308 und der unteren Reihe 310 immer unterschiedlich, so dass mindestens eine Gesamtanzahl von Löchern in der oberen Reihe 308 oder der unteren Reihe 310 immer ungerade ist. Des Weiteren sollte es aus der obigen Beschreibung verstanden werden, dass 2 bestimmt ist, ein Loch von irgendeinem der oberen Reihe von Löchern 308, unteren Reihe von Löchern 310 und das Loch 316 der Bodenmitte des Düsenkörpers 302 anschaulich darzustellen.
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Wie in 3A, 3B und 4B gezeigt, umfasst eine alternative Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzdüse 300’ einen Düsenkörper 302’ mit mindestens einem Loch 320, der eine untere “Reihe” und eine obere Reihe 322 von Düsenlöchern 324 definiert, die longitudinal über dem Loch 320 positioniert sind. Der Durchmesser und der Sprühwinkel des Lochs (der Löcher) 320 ist der gleiche oder anders als der Durchmesser und Sprühwinkel der Löcher 322. Die Gesamtanzahl von Düsenlöchern der Kraftstoffeinspritzdüse 300’ wird durch die Summe der Anzahl von Düsenlöchern 324 in der oberen Reihe 322 plus dem Loch (den Löchern) 320 festgelegt. Beispielsweise umfasst die obere Reihe 322 ein Düsenloch weniger als die Gesamtanzahl von Düsenlöchern der Kraftstoffeinspritzdüse 300’, wobei das endgültige eine Düsenloch durch das Loch 320 definiert wird. In einer Ausführungsform kann die Gesamtanzahl von Düsenlöchern der Kraftstoffeinspritzdüse 300’ insgesamt 5 bis 12 Düsenlöcher sein, und wenn die Kraftstoffeinspritzdüse 300’ beispielsweise eine Gesamtzahl von sieben Düsenlöchern umfasst, dann umfasst die obere Reihe 322 sechs Düsenlöcher 324 und die untere “Reihe” umfasst das Loch 320 für eine Gesamtzahl von sieben Düsenlöchern. Auf ähnliche Weise umfasst dann, wenn die Kraftstoffeinspritzdüse 300’ eine Gesamtzahl von 10 Düsenlöchern umfasst, die obere Reihe 322 neun Düsenlöcher 324 und die unteren “Reihe” das Loch 320 für eine Gesamtzahl von 10 Düsenlöchern.
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Das Loch (die Löcher) 320 kann (können) radial und/oder axial von der Bodenmitte des distalen Endes 306 des Düsenkörpers 302’ und beliebigen Löchern 322 versetzt sein. Wie in 3B und 4B gezeigt, sind das Loch (die Löcher) 320 und die Löcher 324 zusammen gleichmäßig um den Umfang des Düsenkörpers 302’ verteilt, wobei jedoch das Loch (die Löcher) 320 longitudinal unterhalb der Löcher 324 ist (sind). Die Löcher 324 sind gleichmäßig um den Umfang des Düsenkörpers 302 an der longitudinalen Position der oberen Reihe 322 verteilt, wenn die obere Reihe 322 die Gesamtanzahl von Düsenlöchern der Kraftstoffeinspritzdüse 300’ umfasst. Weil jedoch die obere Reihe 322 beispielsweise ein Loch weniger als die Gesamtanzahl von Düsenlöchern umfasst, gibt es mindestens eine Lücke 326 in dem Düsenkörper 302’. Die Lücke (Lücken) 326 entspricht (entsprechen) der Position des (den) endgültigen Düsenlochs (Düsenlöchern) der Kraftstoffeinspritzdüse 300’, d.h., dem Loch (der Löcher) 320, das (die) longitudinal unterhalb der Lücke (Lücken) 326 positioniert ist (sind). Auf diese Weise ist (sind) das Loch (die Löcher) 320 longitudinal von der Bodenmitte des distalen Endes 306 der Kraftstoffeinspritzdüse 300’ versetzt und longitudinal unterhalb der Lücke 326 und nicht unterhalb irgendeines der Löcher 322 positioniert.
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Indem das Loch (die Löcher) 320 als das einzige Düsenloch am distalen Ende 306 des Düsenkörpers 302’ definiert wird, strömt Kraftstoff, der entlang einer Nadel (nicht gezeigt) von dem Düsenkörper 302’ strömt, zuerst in das Loch (die Löcher) 320, bevor er durch die Löcher 322 strömt. Auf diese Weise strömt Kraftstoff anfangs von dem Loch 320, das die Verbrennung einleitet, indem eine kleine Menge von Kraftstoff in den Zylinder 104 strömt (1). Der durch Löcher 324 strömende Kraftstoff strömt anschließend in den Zylinder 104, um die Verbrennung darin zu erhöhen. Als solches stellt der Kraftstoff, der anfangs durch das Loch (die Löcher) 320 strömt, dem Zylinder 104 eine Vorverbrennungsmenge von Kraftstoff bereit, um die Verbrennung darin einzuleiten, was zu einer vollständigeren Verbrennung führt, wenn der Kraftstoff, der durch Düsen 324 von oberen Reihe 322 strömt, in den Zylinder 104 strömt.
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Mit Bezug nun auf 4A wird eine beispielhafte Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzdüse 300 der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Kraftstoffeinspritzdüse 300 umfasst sieben Löcher in der oberen Reihe 308 und zwei Löcher in der unteren Reihe 310. Wie gezeigt, ist der Durchmesser des Einlasses 402 von jedem Loch der oberen Reihe 308 und der unteren Reihe 310 größer als der Durchmesser des Auslasses 404. Es sollte aus der vorliegenden Offenbarung verstanden werden, dass in einigen Ausführungsformen die obere Reihe von Löchern 308 einen Durchmesser des Einlasses 402 aufweisen kann, der größer als der Durchmesser des Auslasses 404 ist, und in der gleichen Ausführungsform die untere Reihe von Löchern 310 einen Durchmesser des Einlasses 402 aufweisen kann, der kleiner als der Durchmesser des Auslasses 404 ist und umgekehrt.
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Die Kraftstoffeinspritzdüse 300 arbeitet, wie in 4A veranschaulicht, bei zwei Ereignissen, nämlich: einem ersten Kraftstoffeinspritzereignis und einem zweiten Kraftstoffeinspritzereignis. Bei beiden Ereignissen spritzt die Kraftstoffeinspritzdüse 300 eine Kraftstoffschwade in eine Brennkammer ein (wie beispielsweise die Kammer 136 von 1); wobei der Kraftstoff jedoch entweder von der unteren Reihe von Löchern 308 oder der oberen Reihe von Löchern 310 oder in einigen Fällen von beiden eingespritzt wird. Die obere Reihe von Löchern 308 ist konfiguriert, so dass das meiste des Kraftstoffs zu einer Hauptkolbenmulde hin gerichtet ist (wie beispielsweise der zweiten Kolbenmulde 142 von 1). Es sollte aus der vorliegenden Offenbarung verstanden werden, dass verschiedene Arten von Kolbenmuldenformen in Kombination mit der Kraftstoffeinspritzdüse 300 verwendet werden können. Die untere Reihe von Düsenlöchern 310 ist konfiguriert, so dass von ihr eingespritzter Kraftstoff eine mittlere Region des Kolbens 106 erreicht. Wie oben veranschaulicht, sprüht eine obere Reihe von Löchern 308 Kraftstoff mit einem unterschiedlichen Winkel als die untere Reihe von Löchern 310. Während sich der Kolben 106 zu der obersten Totpunktposition hin während eines Verdichtungstakts bewegt, wird Kraftstoff in die Brennkammer 136 von der Kraftstoffeinspritzdüse 300 eingespritzt. Unter niedrigen Motorbelastungszuständen wird ein Großteil des Kraftstoffs von der unteren Reihe von Löchern 310 eingespritzt und vermischt sich mit unverbrauchter Luft in einer mittleren Region des Kolbens 106. Unter hohen Motorbelastungszuständen wird Kraftstoff durch die untere Reihe von Löchern 310 sowie auch die obere Reihe von Löchern 308 eingespritzt.
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Während die Ausführungsformen mit beispielhaften Ausgestaltungen beschrieben wurden, kann die vorliegende Offenbarung ferner innerhalb des Wesens und Umfangs dieser Offenbarung modifiziert werden. Diese Anmeldung ist daher bestimmt, jegliche Variationen, Verwendungen oder Anpassungen der Offenbarung unter Verwendung ihrer allgemeinen Prinzipien abzudecken. Diese Anmeldung ist ferner dazu bestimmt, derartige Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung abzudecken, die innerhalb bekannter oder üblicher Praxis in der Technik vorkommen, auf die sich diese Erfindung richtet.
