DE3122295A1

DE3122295A1 - Ultraschall-brennstoffinjektor fuer dieselmotoren

Info

Publication number: DE3122295A1
Application number: DE19813122295
Authority: DE
Inventors: Bruce William 91367 Woodland Hills Calif. Maynard jr.; William Taylor 91301 Agoura Calif. Webber
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1980-06-06
Filing date: 1981-06-04
Publication date: 1982-05-27
Also published as: JPS5720549A; FR2484018A1; GB2077351B; SE8101908L; FR2484018B1; GB2077351A

Description

1A-3521
80R14

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Ultraschall-Brennstoffinjektor für Dieselmotoren

Die vorliegende Erfindung betrifft Dieselmotoren. Insbesondere betrifft die Erfindung die Ausrüstung des Verbrennungsraums mit Ultraschall-Brennstoffinjektoren zum Zwecke der Zerstäubung des Brennstoffs und zur Steigerung der Effizienz der Brennstoffausnutzung.

Bei Dieselmotoren, die nach dem Vorkammer-System gebaut sind, ist der Verbrennungsraum geteilt, und zwar in eine Vorkammer, die im Zylinderkopf ausgebildet ist, und einen Hauptverbrennungsraum, der zwischen der Unterkante des Zylinderkopfes und der Oberkante oder Krone des Kolbens positioniert ist. Die Vorkammer (Vorverbrennungcraum), in die der Brennstoff eingespritzt wird und in der die Verbrennung ihren Anfang nimmt, steht mit dem Plauptverbrennungsraum über einen engen Schlitz oder Strömungskanal in Verbindung .

f -•e -

Während des Betriebs wird bei Bewegung des Kolbens in. Richtung auf den Zylinderkopf zu Luft in den Vorverbrennungsraum gepreßt. In der Nähe des Endzeitpunkts dieses Kompressionstaktes wird Brennstoff in die Vorkammer eingespritzt. Anschließend strömen die Verbrennungsprodükte durch den Strömungskanal aus der Vorkammer zurück in einen. zweiten Verbrennungsraum, der oberhalb des Kolbens ausgebildet ist. Die Verbrennung dieser Brennstoff-Luft-Kombination erzeugt den Schub, der zur Schaffung des Krafthub« des Kolbens notwendig ist.

Aus der US-PS 4 122 804 ist ein Dieselmotor bekannt, der nach dem Vorkammer-System gebaut ist. Bei der bekannten Vorkammer wird ein Brennstoffinjektor vom Stift-Typ (penciltype) verwendet. In der genannten Patentschrift findet sich kein Hinweis auf ein System zum Einspritzen von Brennstoff in die Vorkammer unter Ultraschaübedingungen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen in hohem Maße effizienten Dieselmotor zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Dieselmotors, der den Brennstoff vollständiger verbrennt. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Dieselmotors, bei dem der Ausstoß an teilchenförmigem Material signifikant verringert ist. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Dieselmotor zu schaffen, der die Bildung von Stickstoffoxiden verringert. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorkammer vorzusehen, in der der Brennstoff beim Einspritzen in den Vorverbrennungsraum zerstäubt wird. Schließlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Vorkammer mit einem Ultraschall-Brennstoffinjektor auszurüsten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Verbrennungseinrichtung für Dieselmotoren, die gekennzeichnet ist durch einen Ultraschall-Brennstoffinjektor zur Zerstäubung des Brennstoffs. Während des Betriebs wird ein Wandler mit einem Wechselstrom in der Größenordnung von 1000 kHz beaufschlagt, wodurch bei dem Wandler eine lineare Expansion und Kontraktion verursacht wird. Diese Ultraschallschwingungen werden mittels eines Schalltrichters konzentriert, der eine aktive Oberfläche aufweist, welche eine Übertragung dieser Ultraschallschwingungen auf den Brennstoff ermöglicht, der die aktive Oberfläche passiert. Die schnelle Bewegung übt innerhalb des Brenne koffilms einen Strahlungsdruck aus, der zur Zerstäubung des Brennstoffs führt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer ersten Vorkammer mit Ultraschall-Brennstoffinjektor;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer zweiten Vorkammer mit Ultraschall-Brennstoffinjektor;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer dritten Vorkammer mit Ultraschall-Brennstoffinjektor;

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines dem Injektorkörper einverleibten Kegelventils;

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines dem Injektorkörper einverleibten Nadelventils;

Fig. 6 eine graphische Darstellung von Brennstofftropfchengröße gegen die Frequenz; und

Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Querschnitts einer Vorkammer mit einem Ultraschall-elektrostatischen Brennfitoffinjektor.

In den Figuren sind gleiche Elemente oder Teile dux'chgängig mit gleichen Bezugszeichen versehen, während äquivalente

Elemente mit gestrichenen Bezugszeichen bezeichnet sind.

Erfindungsgemäß wird ein Ultraschall-Injektor für Dieselmotoren geschaffen, wobei die Ultraschallschwingungen bei der Zerstäubung des Brennstoffs äußerst feine Brennstofftröpfchen erzeugen. Sowohl die Theorie der Verbrennungsvorgänge als auch grundsätzliche Verbrennungsexperimente deuten an, daß die Verringerung der Brennstofftropfchengröße zu einer Steigerung der Verbrennungseffizienz führt und außerdem die Tendenz verringert, daß bei der Verbrennung in Dieselmotoren teilchenförmiges Material gebildet wird. Die äußerst geringe Teilchengröße in der Größenordnung von 0,1 bis 10 Mikron, die erforderlich ist, um diese Zunahme der Verbrennungseffizienz und Abnähme der Menge der umweltbelastenden Stoffe zu bewirken, wird dadurch erzeugt, daß der Brennstoff in ultraschallschnelle Schwingungen versetzt wird, sobald er aus dem Brennstoffinjektor in den Verbrennungsraum gelangt.

In den Fig. 1 bis 3 sind drei Ausführungsformen der Vorverbrennungseinrichtung gezeigt, die allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die Vorverbrennungseinrichtung 10 umfaßt als wesentliche Komponenten einen allgemein mit 12 bezeichneten Ultraschall-Injektor, einen Verbrennungsraum 14 und eine Glühkerze 16. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Ultraschall-Brennstoff injektor 12 nicht nur gemäß der bevorzugten Ausführungsform über eine Dichtung 13 dem Vorverbrennungsraum 14 angegliedert sein kann, sondern in ähnlicher Weise auch im Bereich des Zylinders 18 des Motors eingebaut sein kann.

Der Ultraschall-Brennstoffinjektor 12 umfaßt einen Brennstoff-Einlaß 20 und ein Ultraschallelement 22. Obwohl der Brennstoffeinlaß 20 lediglich ein rohrförmiges Element sein kann, wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, so umfaßt das bevorzugte System ein Kontrollventil 24, das in der Nähe des

Ausgangsbereichs 26 angeordnet ist, oder einen Geschwindigkeitsknoten des Brennstoffeinlasses 20. Die Fig. 4 und 5 zeigen als Beispiele funktioneller Kontrollventile für dieses System ein Kegel- oder Tellerventil 28 und ein Nadelventil 30.

Das Ultraschallelement 22 umfaßt außerdem eine Verankerungseinrichtung 32, wie einen Gegenhaltstutzen, mit einem vorderen und hinteren Ende zum Halten des Ultraschall-Injektors 12 an Ort und Stelle sowie gegebenenfalls einen Isolator 34, der axial mit dem vorderen Ende der Verankerungseinrichtung verbunden ist und dazu dienfc, Nachschwingungen zu dämpfen, sowie eine Einrichtung 36 zur Induzierung von hochfrequenten Schwingungen mit großer Amplitude, wobei diese Einrichtung axial entweder direkt oder über den gegebenenfalls vorgesehenen Isolator 34 mit der Verankerungseinrichtung 32 verbunden ist und elektrisch an eine Wechselstromspannungsquelle 38 angeschlossen ist. Am vorderen Ende der Einrichtung 36 zur Induzierung von hochfrequenten Schwingungen mit großer Amplitude ist eine Konzentriereinrichtung 40 vorgesehen. Bei der Konzentriereinrichtung 40 kann es sich um einen Schalltrichter handeln, der im wesentlichen eine beliebige geometrische Konfiguration aufweisen kann. Wenn auch gemäß Fig. 1 ein stufenförmig ausgebildeter Schalltrichter bevorzugt wird, so sind doch Schalltrichter mit den verschiedensten geometrischen Formen und Größen verwendbar. Einige der brauchbaren Schalltrichter sind beschrieben in Ultrasonic Engineering, Julian Ross Frederick, New York, J.Wiley 1965, Seiten 52 bis 57. Die Konzentriereinrichtung 40 umfaßt außerdem eine aktive Oberfläche 42 zur Zerstäubung des Brennstoffs, sobald dieser aus dem Brennstoffeinlaß 20 quer durch die aktive Oberfläche 42 in den Verbrennungsraum 14 eintritt.

Die Einrichtung 36 zur Induzierung von hochfrequenten Schwingungen mit großer Amplitude umfaßt im wesentlichen einen Wandler, wie ein magnetostriktives Element oder ein piezoelektrisches Element. Während des Betriebs wird der Wandler 36 mit einem Wechselstrom beaufschlagt. Das führt bei dem Wandler zu "einer linearen Expansion und Kontraktion gemäß der Frequenz des angelegten Wechselstroms, während die Amplitude durch die Stromdichte und den Bau des Wandlers gesteuert wird. In Fig. 6 ist die Abhängigkeit der Tröpfchengröße von der Frequenz bei der Ultraschallzerstäubung dargestellt.

Wenn auch eine beliebige, herkömmliche Vorkammergeonietrie für die vorliegende Erfindung geeignet ist, so ist doch die bevorzugte Geometrie des Vorbrennungsraums 14 kugelförmig. Der in Fig. 1 gezeigte Vorverbrennungsraum 14 umfaßt eine Öffnung 44 für den Ultraschall-Injektor, durch die sowohl das Ultraschallelement 22 als auch der Brennstoff einlaß 20 eingesetzt sind. Die Öffnung 46 für die Zündeinrichtung ist in einem Bereich angeordnet, der der genannten öffnung für den Ultraschall-Injektor gegenüberliegt, und ist so bemessen, daß sie Einrichtungen zum Zünden des Brennstoff-Luft-Gemisches, wie die Glühkerze 16, aufnehmen kann. Schließlich ist ein Durchflußkanal 48 vorgesehen, durch den Luft in den Vorverbrennungsraum 14 eingepreßt wird und durch den die brennenden Gase in den Zylinder 18 des Motors ausströmen können. Dieser Kanal ist so angeordnet, daß zerstäubter Brennstoff und eintretende Luft zu der Zündeinrichtung 16 transportiert werden. Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 ist der Ultraschall-Injektor 12 in zwei Komponenten aufgeteilt, nämlich den Brennstoffeinlaß 20' und das Ultraschallelement 22'. Das macht bei dem Vorverbrennungsraum 14' eine Öffnung ^lj0 für den Brennstoffeinlaß und eine Öffnung 44' für das Ultraschallelement erforderlich.

Während des Betriebs verläuft.die Bildung der sehr kleinen Tröpfchen, die zur Erzielung des erfindungsgemäß angestrebten Effekts der effizienteren Verbrennung erforderlich sind, auf folgende Weise. Ein Wechselstrom mit einer Frequenz von etwa 1000 kHz wird an den Wandler ?*i angelegt und verursacht Ultraschallschwingungen. Diese Schwingungen werden mittels des Schalltrichters 40, der durch eine Dichtung 13 und einen Freiraum 15 in die Vorkammer 14 des Dieselmotors ragt, konzentriert. Die Dichtung 13 sollte vorzugsweise im Bereich eines Geschwindigkeitsknotens des Schalltrichters 40 angeordnet sein, um den Verlust der Ultraschallenergie so gering wie möglich zu halten. Der Brennstoff fließt anschließend durch den Brennstoffeinlaß 20 auf die aktive Oberfläche 42. Der Brennstoffstrom ist vorzugsweise so gerichtet, daß der Brennstoff gleichförmig über die aktive Oberfläche 42 des Schalltrichters 40 verteilt wird. Die schnelle Bewegung der aktiven Oberfläche 42 erzeugt einen Strahlungsdruck innerhalb des Brennstofffilms, der an der Wandlerspitze haftet, oder innerhalb der Säule aus Brennstoff, der kontinuierlich in den Wandler eingespeist wird. Dieser Strahlungsdruck verursacht Schwingungen an der Oberfläche des Brennstoffs in einer derartigen Weise, daß Kapillarwellen gebildet werden. Die Spannungsamplitude innerhalb des Brennstoffilms, der mit dem vibrierenden Wandler in Berührung steht, ist zu bestimmten Zeiten ausreichend groß, um die Oberflächenspannung und die Zugfestigkeit des Brennstoffs zu übersteigen. Es bilden sich freie Tröpfchen, die etwa die Größe der Halbwellenlänge der Kapillarwellen aufweisen. Da die Tröpfchen äußerst klein sind und von der aktiven Oberfläche 42 in feiner Verteilung und ohne große Durchschlagskraft abgegeben werden, sollte der Ultraschall-Injektor 12 bzw. 22* so angeordnet . sein, daß die Bewegung der in die Vorkammer 14 bzw. 14' einströmenden Luft die Tröpfchen mitreißen kann und bewirken kann, daß sie sich mit der Verbrennungsluft vermischen.

Eine bevorzugte Anordnung des Brennstoffeinlasses 20' und des Ultraschallelements 22' ist innerhalb oder in der Nähe des Strömungskanals 48, wie in Fig. 3 dargestellt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß der Ultraschall-Injektor außerdem eine Einrichtung zur elektrostatischen Aufladung umfassen kann, wie in Fig. 7 gezeigt und in der US-Fa tentanmeldung SN 140 080, angemeldet am 22. April 1980 unter dem Titel "Electrostatic Diesel Fuel Injector" von Maynard Jr. et al, beschrieben ist, auf die hiermit Bezug genommen wird. Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Verbrennungseinrichtung 10' einen Verbrennungsraum 14' mit einer Öffnung 44' für einen Ultraschall-Injektor, durch den der Ultraschall-Injektor 12' eingesetzt ist, sowie eine Zündvorrichtungsöffnung 46' für die Glühkerze 16' und einen Strömungskanal 48'. Der Ultraschall-Brennstoffinjektor 12· umfaßt weiterhin ein Ultraschallelement 22'. Diese» schließt einen Gegenhaltstutzen 32', eine Gchwingungsdüinpfungseinrichtung 34', einen Wandler 36' und einen Schalltrichter 40' mit einer aktiven Oberfläche 42' sowie einen Brennstoffinjektor 20' ein, durch den Brennstoff auf die aktive Oberfläche 42' strömen kann. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Ultraschallkomponenten können elektrostatische Komponenten vorgesehen werden, um die Zerstäubung zu fördern. Diese Komponenten umfassen ein elektrostatisches Element 50 sowie elektrische Isolationen 52 und Elektroden 54, die entlang der Innenwand des Raums 14' eingebaut sind. Das elektrostatische Element 50 umfaßt weiterhin "einen elektrisch.JLeitfähigen Injektorkörper 20', der außerdem als Brennstoffinjektor 20' dient und wenigstens einen Brennstoffeinlaß und wenigstens einen Brennstoffauslaß aufweist, sowie Einrichtungen 56 und 58 zur elektrischen Isolierung de« Injektorkörpers von dem Dieselmotor und eine Einrichtung 60 zur Ladungsbeaufschlaßung des Injektorkörpers im Bereich von etwa 10 000 bis etwa 100 000 Volt. .-

Claims

Patentansprüche

1 J Verbrennungsvorrichtung zur Verwendung in Dieselotoren, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Ultraschall-Brennstoff injektor (12;12') zur Zerstäubung von Brennstoff umfaßt.
2. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Brennstoffinjektor (12;12') ein Ultraschallelement (22;22') umfaßt, welches die folgenden Komponenten aufweist:

Einrichtungen (32;32·) zur Verankerung des Ultraschall-Injektors (12;12·) an dem Motor;

Einrichtungen (36;36') zur Induzierung hochfrequenter Schwingungen mit großer Amplitude, wobei diese Einrichtungen axial mit der Verankerungseinrichtung (32;32') verbunden sind;

Einrichtungen (40;40^!) zur Konzentration der hochfrequenten Schwingungen mit großer Amplitude, wobei diese Einrichtungen axial mit der Induziereinrichtung (36;36') verbunden sind und wobei die Konzentriereinrichtung (40; 40·) eine aktive Oberfläche(42;42·) aufweist; und

Einrichtungen (20;20') zur Förderung von Brennstoff auf die aktive Oberfläche (42;42·) der Einrichtung (40;40·) zur Konzentration der Schwingungen.
3. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verankerungseinrichtung (32;32^f) einen Rückhaltestutzen umfaßt.
4. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallelement (22;22·) weiterhin einen Isolator (34) umfaßt, der zwischen der Verankerungseinrichtung (32;32') und der Einrichtung (36;36') zur Induzierung hochfrequenter Schwingungen mit großer Amplitude

angeordnet ist und zur Dämpfung von hochfrequenten Nachschwingungen mit großer Amplitude dient.
5- Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (36;36') zur Induzierung hochfrequenter Schwingungen mit großer Amplitude eine Spannungsquelle (38) und einen Wandler (36;36·) umfaßt, der elektrisch mit der Spannungsquelle (38) verbunden ist und axial an der Verankerungseinrichtung (32;32') befestigt ist.
6. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (36;36^f) ein magnetostriktives Element ist.
7. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (36;36') ein piezoelektrisches Element ist.
8. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40;40') zur Konzentration der hochfrequenten Schwingungen mit großer Amplitude ein Schalltrichter ist.
9. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung(20;20') zur Förderung von Brennstoff auf die aktive Oberfläche (42;42') der Einrichtung (40;40·) zur Konzentration der hochfrequenten Schwingungen mit großer Amplitude einen Brennstoffinjektor (20,26;20',26 ) umfaßt.
10. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der BrennstoffInjektor (20,26;20',26 ) sich mit axialer Orientierung durch den Schalltrichter (40; 40') erstreckt.
11. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffinjektor (20,26;20',26) so angeordnet ist, daß er der aktiven Oberfläche (42;42·) gegenüberliegt.
12. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffinjektor (20,26;20',26) außerdem ein innerhalb des BrennstoffInjektors (26) angeordnetes Regulierventil (28;30) umfaßt.
13· Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vorkammer (14) umfaßt.
14. Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Zylinder (18) des Motors umfaßt.

15· Verbrennungsvorrichtung zur Verwendung in Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung umfaßt, mit der Brennstoff vor seiner Einspritzung in die Verbrennungsvorrichtung zerstäubt wird, wobei die Zerstäubungseinrichtung ein Ultraschallelement (22') in Kombination mit einem elektrostatischen Brennstoffinjektor
(50) umfaßt.