DE2826602C2 - Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine - Google Patents

Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine

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DE2826602C2
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Joachim Dipl.-Ing. 8501 Schwaig Löhr
Klaus Dr.-Ing. 8500 Nürnberg Wiebicke
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Description

a) es wird eine Einspritzdüse verwendet, bei der das Kva/tstoffsteuerorgan (18, 18a, Mb) im unteren Drehzahl- und/oder Lastbereich des Motors nur ein oder einige Spritzlöcher (21) und im oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich ein zweites oder eine weitere Anzahl von Spritzlöchern (24) freigibt
b) die Drehfrequenz (f\) der rotierenden Luft (16) — bezogen auf den Meßdurchmesser (0,7 Zylinderdurchmesser) und maximalen Ventiihub sowie 10 m/sec mittlerer Kolbengeschwindigkeit — beträgt zwischen 135 und 185 Hz (135 </i < 185),
c) die Einspritzdauei — bezogen auf Vollast an der Rauchgrenze - erstreckt sich bei einer mittleren Kolbengeschwir iigkeit (cm) von 10 m/sec über mehr als oder mindestens 20° Kurbelwinkel (> 20° KW).
2. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Anwendung kommende Einspritzdüse als Kraftstoff-Steuerorgan eine axial in einem Düsenkörper (Ma) verschiebbare, durch wenigstens eine Feder (27, 28) auf ihren Dichtsitz
(19) gehaltene Düsennadel (18) aufweist, daß das zuerst öffnende Spritzloch (21) oder die Spritzlöcher in einen Ringraum (20) unterhalb des Dichtsitzes (19) einmünden, und daß das im oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich öffnende Spritzloch (24) oder die Spritzlöcher mit einer unterhalb des Ringraumes
(20) vorgesehenen Sacklochbohrung (22) in Verbindung stehen, in die ein als Verlängerung der Düsennadel (18) ausgebildeter zylindrischer Zapfen (23) eintaucht
3. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Öffnen der Düsennadel (18) entgegen der Kraft einer Feder (27) nach einem bestimmten Teilhub eine zweite Feder (28) zugeschaltet wird, welche die erste Feder (27) unterstützt
4. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 3, bei der der Kraftstoff in Richtung des Luftdralls in Äquatornähe der Brennraummulde eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das im oberen I)r#hz*hl- und/oder Lastbereich öffnende Spritzloch
(24) oder die Spritzlöcher derart ausgerichtet sind, daß sie den Kraftstoff tangential zur Brennraumwand (13) auf diese aufspritzen, und daß durch den Spritzlochquerschnitt wenigstens die Hälfte der gesamten Einspritzmenge gefördert wird.
5. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im unteren Drehzahl- und/oder Lastbereich öffnende Spritzloch (21) ■ oder die Spritzlöcher derart ausgerichtet sind, daß sie den Kraftstoff von der Richtung des Luftdralls (16) abweichend in den Brennraum (3) einspritzen, und daß durch den Spritzlochquerschnitt höchstens die Hälfte der gesamten Einspritzmenge gefördert wird.
6. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Anwendung kommende Einspritzdüse als Kraftstoff-Steuerorgan eine axial in einem Düsenkörper verschiebbare, durch wenigstens eine Feder auf ihren Dichtsitz (19) gehaltene Düsennadel (18) aufweist, und daß das zuerst öffnende Spritzloch (21) oder die Spritzlöcher in eine Sacklochbohrung (22) unterhalb des Dichtsitzes (19) einmünden, daß das im oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich öffnende Spritzloch (24) oder die Spritzlöcher mit einer im Bereich der Nadelführung (31) im Düsenkörper (YIa) ^gesehenen Ausnehmung (23\in Verbindung stellen, welche nach einem bestimmten Nadelhub durch eine Steuerkante (32) an der Düsennadel (18) beaufschlagbar ist
7. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine «ach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichpet, daß die zur Anwendung kommende Einspritzdüse als Kraftstoffsteuerorgan zwei parallel zueinander angeordnete, axial in einem Düsenkörper (17a,) verschiebbare, durch Federn auf ihren Dichtsitzen gehaltene Düsennadeln (18a, \%b) aufweist von denen eine bereits bei niederem Kraftstoffdruck von ihrem Dichtsitz abhebt, während die andere den Kraftstoff erst freigibt, wenn der Motor im oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich läuft
Die Erfindung bezieht sich auf eine luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem rotationssymmetrischen, im Kolben oder Zylinderkopf angeordneten, eineii gegenüber seinem größten Durchmesser eingeschnürten Hals aufweisenden Brennraum, in dem eine um die Brennraumlängsachse rotierende Luftbewegung herrscht, und bei der der flüssige Kraftstoff über eine außermittig angeordnete, last- und drehzahlabhängig gesteuerte Mehrloch-Einspritzdüse derart in Richtung der Luftbewegung in den Brennraum eingespritzt wird, daß an der Brennraumwand die Bildung eines Kraftstoffilms möglich ist, und wobei das Verhältnis des größten Brennraumdurchmessers zum Durchmesser seines Halses zwischen 1,05 und 1,25 liegt. Eine solche Brennkraftmaschine ist bereits durch die DE-PS 8 65 683 bekannt. Bei ihr wird der Kraftstoff mit möglichst kurzer freier Strahllänge auf die Brennraumwand aufgetragen, um eine unmittelbare Vermischung mit der Luft auf ein lediglich für die Zündung notwendiges Minimum zu begrenzen. Der Auftreffpunkt der Kraftstoffstrahlen liegt daher auf der oberen Hälfte der Brennraumwand, wobei ein Strahl auch in der
Nähe des Äquators der Brennraummulde auftrifft Der Querschnitt des Brennraumhalses beträgt etwa 65% des größten Brennraumquerschnittes. Daraus ergibt sich ein Durchmesserverhältnis des größten Brennraumdurchmessers zum Durchmesser seines Halses von 1,24.
Es hat sich schon bald gezeigt, daß bei einem derartigen Einspritzverfahren im Leerlauf und im unteren und mittleren Teillaszgebiet des Motors eine die Umgebung belästigende, Augen und Atmungsorgane reizende Blaurauchbildung auftritt Der Grund für diese Blaurauchbildung ist eine für eine gute Verbrennung zu niedrige Temperatur der Brennraumwand. Eine schlechte Verbrennung fördert die Bildung von Aldehyden, Acrolein, speziellen Kohlenwasserstoffen und anderem in den Abgasen.
Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß ohne Verteuerung und ohne eine genaue Definition der Kraftstoffstrahllagen sowie ohne Verschlechterung der Betriebsdaten im oberen Betriebsbereich bei weitgehend freier Wahl der Brennraumform im Leerlauf und im unteren und mittleren Teiüasigebiei des Motors eine bestmögliche Verminderung der Blau- und Weißrauchbildung erreicht wird.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch folgende, im einzelnen an sich bekannte Merkmale:
a) Es wird eine Einspritzdüse verwendet bei der das Kraftstoffssteuerorgan im unteren Drehzahl- und/ oder Lastbereich des Motors nur ein oder einige Spritzlöcher und im oberen Drehzahl- und/oder Lastbereich ein zweites oder eine weitere Anzahl von Spritzlöchern freigibt,
b) die Drehfrequenz der rotierenden Luft — bezogen auf den Meßdurchmesser (0,7 Zylinderdurchmesser) und maximalen Ventilhub sowie 10m/sec mittlerer Kolbengeschwindigkeit — beträgt zwischen 135 und 185 Hz,
c) die Einspri'.zdauer — bezogen auf Vollast an der Rauchgrenze — erstreckt sich bei einer mittleren Kolbengeschwindigkeit von 10 m/sec über mehr als oder mindestens 20° Kurbelwinkel.
Es wird also auch weiterhin eine Lochdüse für die Kraftstoffeinspritzung verwendet, wodurch keine Einbauschwierigkeiten auftreten, da die Spritzlöcher nahezu jeder Brennraumkonfiguration anpaßbar sind. Auch ein Verkoken der Spritzlöcher ist weitgehend ausgeschaltet weil die Spritzfolge exakt voneinander so getrennt wird.
Durch die Einspritzung des Kraftstoffes in zwei Stufen (an sich aus der GB-PS 6 17 795 bekannt) ist es leicht möglich, bei Leerlauf sowie im unteren und evtl. im mittleren Betriebsbereich des Motors eine weitgehende oder sogar vollständige unmittelbare Kraftstoff-Luftvermischung zu erreichen, so daß die durch die noch ungenügend erwärmte Brennraumwand auftretenden Nachteile ausgeschaltet sind. Im oberen Betriebsbereich hingegen wird der Kraftstoff nach wie vor überwiegend eo filmartig auf die Brennraumwand aufgetragen, wo er verdampft, mit der rotierenden Luft vermischt und schließlich verbrannt wird Weiter bringt die abgestufte Kraftstoffeinspritzung den Vorteil, daß sich auch im Vollastbereich bei niedrigen Drehzahlen die Verbren- es nung zu Gunsten einer geringen Schwär/rauchbildung und niedrigem Kraftstoffverbrauch sowie im oberer, Drehzahlbereich zu Gunsten niedriger Zünddrücke und Kraftstoffverbrauch, beispielsweise bei Aufladung, verbessern läßt indem in analoger Weise im unteren Drehzahlbereich nur ein Teil der Spritzlöcher freigegeben wird, im oberen jedoch der volle Spritzquerschnitt
Die Merkmale b) und c) sind zumindest teilweise aus der US 35 59 892 bzw. aus der MTZ 34(1973)6, S. 175—181 zu entnehmen.
Um in allen Betriebsbereichen gute Motordaten zu erhalten, ist es in Verbindung mit der Zweistufen-Kraftstoffeinspritzung aber auch erforderlich, den Luftdrall genau abzustimmen und die Drehfrequenz festzulegen. Mit dem Luftdrall muß schließlich auch eine Abstimmung der Kraftstoff-Einspritzdauer erfolgen, um die Gemischbildung zu optimieren. Das Öffnungsverhältnis zwischen größtem Brennraumdurchmesser zu seinem Hals ist vor allem abhängig von der Lage und Querschnittsverteilung der wenigstens zwei Spritzlöcher, wobei je nach den Erfordernissen hinsichtlich der Drehzahl, Leistungsausbeute, Drehmoment und möglicher Aufladung der Brennkraftmaschine die Drehfrequenz de>· Luft gewählt wird. Die Strahllage, insbesondere in Richtung Brennraumarv ~,e, ist unter den vorgenannten Festlegungen nicht vp.ehr so eingeengt wie bisher. Ein weitgehendes Variieren ist nunmehr möglich. Voraussetzung ist lediglich, daß der ersie Kraftstoffstrahl nicht über den Brennraum spritzt bzw. während der Einspritzzeit nicht austaucht und der unterste Strahl nicht auf den Brennraumboden gelangt. Wenigstens ein Strahl soll bei Vollast des Motors, wenn alle Spritzlöcher freigegeben sind, in Äquatornähe oder kurz darunter auf die Brennraumwani auftreffen, wobei natürlich die Brennraumform, ob Kugel, Ellipsoid ο. ä. sowie die Düsenaustrittsführung maßgebend sind. Dieser Strahl bzw. diese Strahlen sollen wenigstens die Hälfte der gesamten Einspritzmenge beinhalten und in Umfangsrichtung des Luftwirbels die Brennraumwand tangieren und auf ihr den bekannten Füm bilden, während der andere Strahl oder die anderen Strahlen mit höchstens der Hälfte der Einspritzmenge je nach den Verhältnissen von der Drallrichtung _ind d imit von der Wandtangente abweichen können, um den erwünschten Effekt einer größeren unmittelbaren Luftv.i'mischung bei Teillast zu erzielen.
In weiterer Durchbildung der Erfindung wurde festgestellt, daß die Verwendung einiger bestimmter Einspritzdüsen sehr vorteilhaft ist, weil sie trotz einwandfreier Funktion einfach in ihrem Aufbau und leicht in den Zylinderkopf einbaubar sind, und weil die Spritzlöcher jederzeit leicht den jeweiligen Erfordernissen entsprechend angebracht werden können. Diesbezüglich wird vorgeschlagen, daß die zur Verwendung kommende Einspritzdüse als Kraftstoff-Steuerorgan eine axial in einem Düsenkörper verschiebbare, durch wenigstens eine Feder auf ihren Dichtsitz gehaltene Dü"ir.nadel aufweist, daß das zuerst öffnende Spritzloch oder die Spritzlocher in einen Ringraum unterhalb des Dichtsitzes '.inmünden, und daß das im oberen Drehzahl und/oder Lastbereich öffnende Spritzloch oder die Spritzlöcher mit einer unterhalb des Ringraumes vorgesehsnen Sacklochbohrung in Verbindung stehen, in die tin als Verlängerung der Düsennadel ausgebildeter zylindrischer Zapfen eintaucht
Im unteren Drehzahl- und Lastbereirh wird die Düsennadel gegen eine Feder nur um einen geringen Teil vom Dichtsitz abgehoben, so daß eine teilweise Kraftstoffeinspritzung durch das oder die in den Ringraum einmündenden Spritzlöcher erfolgt Mit steigenden Motordrehzahlen und -lasten steigt auch der
Druck in der Einspritzleitung und damit im Ringraum, die Düsennadel wird entgegen einer zweiten Feder weiter angehoben, bis der an ihr vorgesehene zylindrische Zapfen die Sacklochbohrung freigibt und schließlich auch das oder die in diese einmündenden Spritzlöcher mit Kraftstoff beaufschlagt werden. Damit steht der volle Spritzquerschnitt zur Verfügung. Der volle Spritzquerschnitt aller Spritzlöcher entspricht dem Durchflußwert, wie ihn bei Verwendung einer Endlochdüse die eine Spritzbohrung hätte, wobei zu erwähnen ist. daß die Querschnittsaufteilung auf die einzelnen Sprilzlöcher willkürlich vorgenommen werden kann, d. h. daß ein Spritzloch oder einige Spritzlöcher größeren und andere kleineren Querschnitt aufweisen können. Auf diese Weise wird in dem beschriebenen unteren Drehzahl- bzw. Lastbereich des Motors erreicht, daß sich durch erhöhte Drosselung genügend hoher Leitungsdruck aufbauen kann, um in jJcr erster. Stufe des Nsdeihüb*** d^n enicnr'*i*hpn*^pn Spritzquerschnitt freizugeben und eine sonst nicht erreichbare Kraftstoffzerstäubung eintritt, die. begünstigt durch eine wählbare Strahllage, stärker luftverteilend ablaufen kann und somit eine intensive Wandanlagerung verhindert, ohne daß bei Vollast im mittleren und oberen Drehzahlgebiet, d. h. bei steigender Drehfrequenz und damit Zentrifugalkraft des Luftwirbels und bei dann wandtangential spritzendem Hauptstrahl bzw. -strahlen die erwünschte Wandanlagerung vermieden wird. Die konstruktive Ausführung der geheuerten Mehrloch-Einspritzdüse kann auch anders aussehen als vorstehend geschildert. Hierzu wird auf die Unteranspriiche verwiesen.
Weitere Einzelheiten können der nachfolgenden Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles und einiger besonder.; geeigneter Einspritzdüsen entnommen werden. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch den oberen Teil eines in einem Zylinder angeordneten Kolbens mit eingezeichneter Kraftstoff Strahlkonfiguration.
F i s. 2 eine Draufsicht auf den Kolben nach einem Schnitt H-Il in Fi g. 1.
F i g. 3 einen Schnitt 111-1! I durch die Anordnung nach !; : g. 2.
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den unteren Teil -jiner Einspritzdüse.
F : g. 5 einen Längsschnitt durch einen Teil der auf die Düsennadel nach F i g. 4 einwirkenden Federkombination.
F i g. 6 und 7 jeweils einen Längsschnitt durch den unteren Teil von weiteren Einspritzdüsen.
In den F i g. 1 h:.s 3 weist ein nur zum Teil dargestellter Kolben 1 in seinem Kolbenboden 2 einen hier kugelförmigen Brennraum 3 mit einem Durchmesser D auf. Der Brennraum 3, der auch jede andere rotationssymmetrische Form aufweisen kann, ist durch einen auf einen Durchmesser d eingeschnürten Hals 4 mit dem Innenraum des Zylinders 5 verbunden. Eine Schnaupe 6 im Hals 4 dient zur Einspritzung des Kraftstoffes durch eine Einspritzdüse 7, die schräg im Zylinderkopf 8 angeordnet ist Das Verhältnis des Brennraumdurchmessers D zum Durchmesser d des Halses 4 wird als Öffnungsverhältnis 6 bezeichnet und hat den Wert 1,05 <iS 1,25.
Die Äquatorebene des Brennraumes 3 ist durch eine t-richpunktierte Linie 9 und die Hälfte des unteren Teiles des Brennraumes 3 durch eine ebenfaiis strichpunktierte Linie 10 gekennzeichnet Linien 11 und 14 zeigen die Richtung von zwei geometrischen Kraftstoffstrahlen nach der Erfindung an, die bei dem Punkt 15 und achsenverlängert theoretisch auch bei 12 auf die Brennraumwand 13 auftreffen. Der Auftreffpunkt 15 liegt etwas unterhalb der Äquatorebene 9, während der Vorstrahl 11 im unteren Drehzahl- und Teillastgebiet des Motors derart zerstäubt und aufreißt, daß er die Brennraumwand 13 gar nicht mehr erreicht, sondern vorher in Wandnähe abbrennt, im oberen Drehzahl- und Lastbereich jedoch durch die höhere
ίο Drehfrequenz des Luftdralls 16 an die Wand zentrifugiert wird und dort zusammen mit dem Hauptstrahl 14 etwas unterhalb des Auftreffpunktes 15 einen Kraftstoifilm bildet.
In Fig.4 ist ein Teil eines Düsenkörpers gezeichnet.
der eine Bohrung 17£> zur Aufnahme einer Düsennadel 18 aufweist. Nach unten hin verengt sich die Bohrung 176. und die so entstehende Schrägfläche bildet den Dichtsitz 19, an den die Düsennadel 18 in Ruhestellung riirhlpnH anliegt.
Unterhalb des Dichtsitzes 19 ist ein Ringraum 20 vorgesehen, in den in Fig.4 ein in einem Winkel zur Düsenlängsachse χ verlaufendes Spritzloch 21 mündet. Schließlich endet die Bohrung \7b\n einer Sacklochbohrung 22, die in der gezeigten Ruhestellung von einem 2<< eine Verlängerung der Düsennadel 28 bildenden zylindrischen Zapfen 23 abgeschlossen wird. Von der Sacklochbohrung 22 aus führt ein weiteres Spritzloch 24 durch !en Düsenkörper nach außen und endet im Kegelmantel 25.
In Fig. 5 ist der obere Teil der Düsennadel 18 im Düsenkörper 17a axial verschiebbar gelagert. Auf der Düsennadel 18 befindet sich tiv. Pilzstück 26, auf den eine sich andernends an einem nicht dargestellten Halter abstützende Feder 27 drückt Eine im Durchmesser größere Haltefeder 28 wirkt auf einen Federteller
29. der über einen Bund 26a des Pilzstückes 26 reicht und in Richtung der Düsenlängsachse χ ein Spiel 30 zum Bund 26a aufweist.
Wird der Einspritzdüse Kraftstoff zugeführt, so verschiebt sich zunächst die Düsennadel 18 entgegen der Kraft der Feder 27. bis das Spiel 30 Null ist. Damit tritt das Spritzloch 21 in Tätigkeit Im oberen Lastbereich bzw. bei Vollast des Motors steigt der Druck im Ringraum 20 an, bis er auch die Kraft der zweiten Feder 28 überwindet und die Düsennadel 18 bis zu ihrem maximaler. Hub öffnet, wo der Zapfen 23 die Sacklochbohrung 22 und damit das Spritzloch 24 freigibt.
In Fig.6 sind der Düsenkörper wieder mit 17 a, die Düsennadel mit 18, der Dichtsitz mit 19, die Sacklochbohrung mit 22 und die Spritziöcher mit 21 -nd 24 bezeichnet Noch innerhalb der Nadelführung 31 weist die Düsennadel 18 einen als Steuerkante dienenden Absatz 32 auf, der bei voll geöffneter Düsennadel 18 eine Ausnehmung 33 im Düsenkörper 17a freigibt, in die das Spritzloch 24, welches als Hauptspritzloch anzusehen ist einmündet Die Ausführung unterscheidet sich gegenüber der nach F i g. 4 hauptsächlich dadurch, daß das sog. Hauptspritzloch 24 weiter von der Düsenspitze entfernt liegt, als das zuerst freigegebene Spritzloch 21. In F i g. 7 schließlich wird die Steuerfunktion durch zwei voneinander unabhängige, im Düsenkörper 17a parallel angeordnete Düsennadeln 18a und 18b übernommen, die die beiden Spritziöcher 21 und 24 bedienen. Das Prinzip Teillasteinspritzung bei niederen Drehzahien und Voüasteinspritzüiig bei den höheren Drehzahlen ist gleich.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    t. Luftverdichtende, direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit einem rotationssymmetrischen, im Kolben oder Zylinderkopf angeordneten, einen gegenüber seinem größten Durchmesser eingeschnürten Hals aufweisenden Brennraum, in dem eine um die Brennraumlängsachse rotierende Luftbewegung herrscht, und bei der der flüssige Kraftstoff über eine außermittig angeordnete, last- und drehzahlabhängig gesteuerte Mehrloch-Einspritzdüse derart in Richtung der Luftbewegung in den Brennraum eingespritzt wird, daß an der Brennraumwand die Bildung eines Kraftstoffilms möglich ist, und wobei das Verhältnis des größten Brennraumdurchmessers zum Durchmesser seines Halses zwischen 1,05 und 1,25 liegt, gekennzeichnet durch folgende, im einzelnen an sich bekannte Merkmale:
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