DE202009017699U1

DE202009017699U1 - Tangential am Zylinderumfang ausgerichtete Einspritzdüsen für Verbrennungsmotoren mit Gaswechselsteuerung

Info

Publication number: DE202009017699U1
Application number: DE202009017699U
Authority: DE
Original assignee: Daude Otto Dr-Ing Mba
Current assignee: Daude Otto Dr-Ing Mba
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2019-11-19
Also published as: CN102713152A; WO2011061191A1; US20120285418A1; JP2013511641A

Abstract

Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren mit tangential am Zylinderumfang angeordneten Einspritzdüsen, dadurch gekennzeichnet, dass durch zwei oder mehrere Einspritzdüsen der Kraftstoff vom Zylinderumfang in Richtung Brennraum eingespritzt wird.

Description

Die Erfindung ist im Prinzip zur Anwendung bei allen Dieselmotoren, insbesondere aber zur Anwendung bei Gegenkolbenmotoren geeignet. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass sie keinen Zylinderkopf aufweisen. Vielmehr wird das Arbeitsgas zwischen zwei sich gegenläufig auf den inneren Totpunkt hinzu bewegenden Kolben komprimiert. Dadurch muss nicht nur der Gaswechsel durch am Zylinderumfang angeordnete Kanäle erfolgen, sondern auch der Kraftstoff muss vom äußeren Zylinderumfang her in den Brennraum eingespritzt werden. Dies erfordert im Vergleich zum konventionellen Mischvorgang eine grundsätzlich unterschiedliche Anordnung der Injektoren zur Einspritzung des Kraftstoffes. Während im Allgemeinen die Einspritzdüse oberhalb der Brennkammer in – oder nahe – der Zylinderachsenmitte angebracht ist und den Kraftstoff durch mehrere Düsenlöcher von innen nach außen verteilt, muss bei Gegenkolbendieselmotoren der Kraftstoff von außen nach innen in die Brennkammer eingebracht werden.
Um den bei modernen Motoren im Interesse niedriger Abgasemissionen angestrebten homogenen Mischvorgang zu erreichen, sind die Mittel bei Motoren mit mittigen oder mittennah angeordneten Einspritzorganen oberhalb der Brennkammer stark eingeschränkt. Erst gegen Ende des Einspritzvorganges liegt ein nahezu stöchiometrisches Gemisch vor. Zu Beginn der Einspritzung ist das Gemisch noch zu mager. Durch eine Vormischung vor Beginn der Zündung, beispielsweise durch eine nicht zündende Voreinspritzung, kann dieser Mangel nur teilweise behoben werden. Auch eine sehr kurze Einspritzzeit, die schon kurz nach Einsetzen der Verbrennung den Mischvorgang beendet hat, lässt sich nur bedingt realisieren, da sie entweder (aus anderen Gründen nachteilige) große Einspritzlöcher erfordert oder einen sehr hohen Einspritzdruck. Bessere Chancen bietet ein Brennverfahren, bei dem der Kraftstoff von außen dem Brennraum zugeführt wird und somit in günstiger Weise auf das Arbeitsgas verteilt werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, sowohl eine kürzere Einspritzzeit zu realisieren, als auch ein möglichst homogenes Gas-Kraftstoffgemisch vor Einsetzen der Verbrennung herzustellen.
Deshalb werden erfindungsgemäß zwei oder mehrere Einspritzdüsen so im Bereich der oberen Kolbentotpunkte am Zylinderumfang angeordnet, dass ihre Einspritzstrahlen in tangentialer Richtung auf den Schwerkreis des in einem rotations-symmetrisch herge stellten Brennraum befindlichen Volumens ausgerichtet sind. Die Anordnung mehrerer Düsen ermöglicht sowohl eine zeitgleiche Einspritzung durch alle Düsen, wodurch eine kürzere Einspritzzeit erreicht wird. als auch erfindungsgemäß im Bedarfsfalle eine Einspritzung in unterschiedlicher Zeitabfolge der einzelnen Düsen. Dabei wird der Kraftstoffstrahl durch einen als Schusskanal ausgeführten Schnaupe auf der Kolbenoberseite vom Zylinderrand her zur Brennkammer geführt.
Bei herkömmlichen, mittig im Zylinderkopf angeordnete Düsen ist es nachteilig, dass die Düsenspitze sehr nahe an der heißesten Stelle des Brennraumes liegt, während sie sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung an den kältesten Stellen außerhalb des Brennraumes befinden. Die konventionelle Anordnung kann die heiße Temperatur jedoch nicht zur Verdampfung des Kraftstoffes nutzen, da die Strahlwurzel nahe der Düsenspitze noch zu kompakt ist und sich erst in der Nähe der kalten Brennraumwände in hoher Auflösung befindet. Demgegenüber hat die Erfindung den Vorteil, dass sich die Strahlauflösung umso besser wird, je weiter sie zur heißen Brennraummitte gelangt, was ebenfalls zur beschleunigten homogenen Gemischbildung beiträgt. Während beim herkömmlichen Brennverfahren die Anbringung einer zweiten Düse in der Brennraummitte aus geometrischen Gründen nicht möglich ist, können bei der vorliegenden Erfindung nahezu beliebig viele Düsen am Zylinderumfang angeordnet sein. Das ermöglicht auch, mit einem sehr geringen, oder gar keinem Luftdrall eine gute Mischung zu erzielen. Dies wiederum bedeutet geringere Wärmeverluste an die Brennraumwände und damit bessere Effizienz.
Bildbeschreibung:
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Gegenkolbenmotor. Zwei Kolben 1 und 2 bewegen sich gegenläufig in einem Motorgehäuse bestehend aus zwei Kurbelgehäusen 3 und 4 und zwei Zylinderhälften 5 und 6 die durch ein Zylindermittelteil 7 miteinander verbunden sind. Die Kolben werden angetrieben durch zwei Kurbelwellen 8 und 9, sowie die Pleuel 10 und 11. Ihre Bewegung wird durch einen Rädertrieb 12 synchronisiert. Das zentrale Rad dieses Rädertriebes ist in einem am Motorgehäuse Zylindermittelteil 7 befestigten Steuergehäuse 13 gelagert und dreht sich im Viertaktverfahren mit halber Kurbelwellendrehzahl. Es treibt eine Nockenwelle 14 an, welche sowohl Nocken für die Betätigung einer Einspritzpumpe 15 aufweist, als auch Nocken zur Steuerung des Gaswechsels von Einlass und Auslass mittels der Schiebebüchsen 16 und 17 besitzt. Durch deren Verschiebung können die ringförmigen Gaskanäle 18 und 19 unabhängig voneinander geöffnet und geschlossen werden. Die Einspritzorgane 21 befinden sich in Höhe der Mitte des Brennraumes 20 im Zylindermittelteil 7, um den Kraftstoff in den zwischen den Kolben 1 und 2 im oberen Totpunkt gebildeten Brennraum 20 einzuspritzen. Der Brennraum 20 ist rotationssymmetrisch gestaltet und sein Volumen gleichmäßig auf beide Kolben 1 und 2 verteilt.
2 zeigt einen Querschnitt durch Zylindermittelteil 7. Die Frischluftzuführung 21 mündet in den Bereich eines ringförmigen Gaskanals 18. Analog hierzu wird das Abgas aus einem anderen ringförmigen Gaskanal über ein Auspuffrohr 32 abgeführt. Zur Erzeugung eines Luftdralles für den Mischvorgang tritt die Frischluftzufuhr über tangential in einen oder mehrere Gaskanäle 18 ein. In Höhe der Brennraummitte befinden sich zwei tangential in Richtung des Luftdralls in den Brennraum 20 einspritzende Düsen 23 und 24. Die Kolben weisen in Richtung zum Brennraum weisende Schnaupen 25 auf, um den Durchtritt des Kraftstoffstrahles vom Zylinderaußenrand zum Brennraum 20 zu ermöglichen. Das Strahlbild der einspritzenden Düsen mittels eines oder mehrerer Einspritzstrahlen wird so gewählt, dass die Hauptmasse des eingespritzten Kraftstoffes tangential in den Schwerkreis der rotierenden Luft im Brennraum gerichtet ist, weil sich dort auch die Hauptmasse der zu vermischenden Frischluft befindet.
3 zeigt eine Anordnung mit drei tangential angeordneten Einspritzdüsen 26, 27 und 28. Je mehr Düsen am Umfang verteilt sind, umso geringer muss der erforderlich Drall der Frischluft zur Erzeugung des Mischvorgangs sein. Grundsätzlich bietet diese Anordnung den Vorteil, dass die Einspritzung mittels mehrerer Düsen nicht zwangsläufig zum gleichen Zeitpunkt erfolgen muss, sondern auch seriell – im Interesse einer besseren homogenen Gemischbildung – ablaufen kann.
4 zeigt die vorgenannte Anordnung mit drei tangential angeordneten Einspritzdüsen 26, 27 und 28, sowie jeder dieser Düsen zugeordnete Mischungssegmente 29, 30 und 31 im Brennraum 20. Jede der Düsen durchmischt nur das jeweils ihr zugeordnete Segment. Dies kann sowohl zeitgleich erfolgen, als auch zeitlich so abgestimmt, dass das nächste Segment erst dann durchmischt wird, wenn der Mischvorgang des davor liegenden Segmentes abgeschlossen ist. Dabei müssen weder die Düsen zwangsläufig gleichmäßig am Umfang verteilt sein, noch die Mischungssegmente gleich groß sein, noch die eingespritzte Kraftstoffmenge für alle Düsen gleich sein, noch die Zeitabstände für den Spritzbeginn der Düsen gleich lang sein. Vielmehr können alle diese Parameter individuell den Erfordernissen eines idealen Mischvorganges für den jeweiligen Betriebszustand des Motors angepasst werden, z. B. durch mehrere mechanisch angetriebene Einzel-Einspritzpumpen, oder durch elektronische Mittel und Steuerungen wie bei Common-Rail Motoren.

Claims

Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren mit tangential am Zylinderumfang angeordneten Einspritzdüsen, dadurch gekennzeichnet, dass durch zwei oder mehrere Einspritzdüsen der Kraftstoff vom Zylinderumfang in Richtung Brennraum eingespritzt wird.
Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmasse der eingespritzten Kraftstoffmenge tangential an den Schwerkreis des Brennraum-Volumens gerichtet ist.
Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung durch die Einspritzdüsen nicht gleichzeitig, sondern in zeitlicher Abfolge nacheinander geschieht.
Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Düse ein Brennraum-Segment zugeordnet ist, für dessen Durchmischung sie zuständig ist, ohne dass ein Überlappen der Mischungssegmente dabei eintritt.
Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Mischvorgang für die einzelnen Brennraumsegmente nacheinander erfolgt, wobei die ersten Einspritzungen noch während des Kompressionshubes erfolgen zu einem Zeitpunkt, in dem das erzeugte Kraftstoff-Luftgemisch noch nicht zündfähig ist und erst mit der letzten Einspritzung die Kompression ausreicht, um das Gemisch zu zünden.
Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum, in dem der Mischvorgang stattfindet, rotationssymmetrisch ausgeführt ist.
Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass den Einspritzdüsen jeweils eigene Einspritzpumpen zugeordnet sind, deren mechanische Betätigung mittels ihnen eigens zugeordneter Nocken auf der Nockenwelle erfolgt, so dass sowohl ein unabhängiger Einspritzbeginn, als auch eine unabhängige Einspritzmenge individuell jeder Einspritzdüse zugeführt werden kann.
Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Abfolge und die Mengensteuerung der Düsen durch ein elektronisches Steuergerät mit Mitteln wie beim Common-Rail Verfahren erfolgt, so dass der jeweils günstigste Mischvorgang für das Drehzahl-Last Kennfeld in entsprechenden Mappen der Steuerung hinterlegt und gesteuert wird.
Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren, nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass es explizit bei Gegenkolbenmotoren zum Einsatz kommt.
Kraftstoffeinspritzung für Dieselmotoren, nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Brennraums, in dem der Mischvorgang stattfindet, gleichmäßig auf beide Gegenkolben aufgeteilt ist.