DE3628645A1 - Verfahren zum einspritzen von kraftstoff in die verbrennungskammer einer verbrennungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere eines Kraftstoff-Luftgemisches in die Verbrennungskammer einer Verbrennungsmaschine durch eine Düse.

Die Eigenschaften des aus einer Düse in die Verbrennungskammer einströmenden Strahls oder Strom der Kraftstofftröpfchen haben eine wesentliche Wirkung auf die Wirksamkeit der Verbrennung des Kraftstoffes, die ihrerseits die Stabilität der Betriebsweise des Motors, die Kraftstoffausnutzung und die Abgasemissionen beeinflußt. Um diese Wirkung zu optimieren, sind die wünschenswerten Eigenschaften des aus der Düse ausströmenden Kraftstoffspritzmusters kleine Kraftstofftröpfchengrößen, eine gesteuerte Spritzweite des Kraftstoffstromes in die Verbrennungskammer und eine zumindest bei geringen Motorlasten relativ begrenzte gleich verteilte Wolke von Kraftstofftröpfchen. Bei der Steuerung der schädlichen Komponenten des Abgases ist des wünschenswert, die Plazierung des Kraftstoffs in der Gasladung in der Verbrennungskammer zu steuern, um mit einer Anzahl von unterschiedlichen Parametern übereinzustimmen. Im Idealfall sollte der Kraftstoff in einer Gasladung derart verteilt sein, daß das resultierende Kraftstoffluftgemisch leicht an der Zündkerze zündbar ist, daß genügend Luft für den Kraftstoff vorhanden ist, damit er vollständig verbrennt, und daß die Flamme eine genügend hohe Temperatur aufweist, damit sie sich auf dem gesamten Kraftstoff verteilen kann, bevor sie ausgeht. Es bestehen auch andere Faktoren, die auch berücksichtigt werden müssen, wie Verbrennungstemperaturen, die Detonationen erzeugen könnten oder die Bildung von ungewünschten Verunreinigungen des Abgases.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff durch eine Düse in eine Verbrennungskammer zu schaffen, das zu einer wirksamen Verbrennung des Kraftstoffes und zur Steuerung der Emissionen des Abgases beiträgt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Es wird ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer einer Verbrennungsmaschine vorgeschlagen, bei dem eine dosierte Kraftstoffmenge, vorzugsweise mitgeführt in einem Gas, durch eine Düse in die Verbrennungskammer in der Weise geliefert wird, daß ein Kraftstoffstrahl oder -strom mit einer Verteilungsgeschwindigkeit in Richtung der Strahlachse von nicht mehr als 25 m/s bei einer Spritzweite von der Düse entfernt von 35 mm bei atmosphärischem Druck in ruhender Luft gebildet wird.

Wegen einer Anzahl von Gründen ist es nicht sinnvoll, die Messungen der Spritzweite in der Verbrennungskammer bei Betriebsbedingungen durchzuführen. Daher werden bei der Definition der vorliegenden Erfindung die Strahl- bzw. Stromgeschwindigkeiten und Spritzweiten bei ruhender Luft unter atmosphärischem Druck gemessen. Diese Messungen wurden mit einer Düse und einem Einspritzmechanismus durchgeführt, die für die Zuführung des Kraftstoffs in die Verbrennungskammer verwendet werden und die unter den gleichen Bedingungen betrieben werden, als wenn der Kraftstoff in die Verbrennungskammer eingespritzt werden soll, d. h. die Kraftstoff- und Gasdrücke sind die gleichen und die Öffnungsbewegung der Düse ist die gleiche wie bei normalen Motorbetriebsbedingungen.

Vorzugsweise ist die Strahlverteilungsgeschwindigkeit in axialer Richtung unter 16 m/s bei 35 mm und üblich ist sie zwischen 6 bis 10 m/s, vorzugsweise bei 8 m/s. Die Strahlverteilungsgeschwindigkeit in radialer Richtung, d. h. senkrecht zur Spritzachse, beträgt vorzugsweise nicht mehr als als 25 m/s und üblicherweise ungefähr 12 m/s bei 35 mm Entfernung von der Strahlachse.

Die Aufrechterhaltung der obigen Parameter für die Spritzweite ist insbesondere wichtig für kleine Kraftstoffraten, d. h. bei geringen Motorlasten, um die Kohlenwasserstoffe (HC) im Abgas zu steuern. Bei niedrigen Lasten ist die pro Zyklus eingespritzte Kraftstoffmenge gering und wenn sie weit über die Gasladung verteilt wäre, würde eine schlechte Zündfähigkeit und Aufrechterhaltung der Flamme bewirken. Um diese gegenteiligen Wirkungen zu verhindern oder zu reduzieren, ist es notwendig, allgemein die Verteilung des Kraftstoffes in der Gasladung zu begrenzen und insbesondere eine fette Mischung in der unmittelbaren Nähe des Zündpunktes (Zündkerze) zu bilden.

Auf diese Weise ist die Ladung aufgrund der fetten Mischung an der Zündkerze leicht zu zünden. Die relativ kleine Kraftstoffmenge wird weder dünn über die gesamte Gasladung verteilt noch wird der Kraftstoff in schnell gelöschte Bereiche der Gasladung verteilt, beides würde zu einer niedrigen Durchdringung der Flamme und zu daraus resultierendem unverbrannten Kraftstoff beitragen, der Kohlenwasserstoffe im Abgas erzeugt. Obwohl die begrenzte Spitzweite ohne zusätzliche andere Maßnahmen in einer leichten Erhöhung der Kohlenwasserstoffemissionen bei hohen Lastbedingungen des Motors resultieren könnte, ist die Wirkung gering, da dies in einem Betriebsbereich liegt, der nur während eines geringen Anteils der Gesamtbetriebszeiten für viele Anwendungen, beispielsweise als Kraftfahrzeug, auftritt.

Die Vorteile des Kraftstoffstrahles geringer Eindringtiefe sind insbesondere relevant bei Betriebsbedingungen bis zu 80% der Maximallast und bis zu 50% der maximalen Betriebsgeschwindigkeit des Motors.

Die Anwendung eines Kraftstoffstrahles geringer Spritzweite ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Einnspritzdüse derart konstruiert ist, daß sie ein Kraftstoffmuster erzeugt, das eine Wolke mit darin verteiltem Kraftstoff bildet, dies ist besser als das Muster der hohlen konischen Ausbildung. In einer anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/AU86/00 201 wird ein besonderes Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer und eine besondere Form der Düse offenbart, wobei beide bei dem Kraftstoffstrahl geringe Spritzweite entsprechend der vorliegenden Erfindung angewendet werden können.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer wird der Kraftstoff in einem Gasstrom mitgeführt und selektiv eine Düse geöffnet, um das Gas-Kraftstoffgemisch in die Verbrennungskammer zu liefern und es werden bevorzugte Wege für das Kraftstoff- Gasgemisch hergestellt, wenn es durch die Auslaßöffnung hindurchgeführt wird, um einen ersten Bereich von mit dem Gas mitgeführten Kraftstofftröpfchen mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und einen zweiten Bereich von mit dem Gas mitgeführten Kraftstofftröpfchen zu erzeugen, der innerhalb des ersten Bereichs liegt. Die aus der Düse ausströmenden Kraftstofftröpfchen haben eine Verteilungsgeschwindigkeit in Richtung der Strahlachse von nicht mehr als 25 m/s bei 35 mm Spritzweite, wenn wie oben beschrieben gemessen wird.

Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sehen die Bereiche der mit dem Gas mitgeführten Kraftstofftropfen eine größere Aussetzung der Kraftstofftröpfchen in der Luft vor und da die Ströme dieser Wege sich von der Düse entfernen und abgebremst werden, brechen sie auf, um so die Kraftstofftropfen zu verteilen und einen Nebel zu bilden. Die verteilten Strahlen bilden am Ende eine einzige Wolke aus Kraftstofftröpfchen.

Wenn die Anordnung derart ist, daß die Kraftstofftröpfchenstrahlen in einer kreisförmigen oder divergent konischen Formation vorhanden sind, wird ein toroidaler Luftstrom innerhalb des Bereiches erzeugt, der im allgemeinen konzentrisch dazu liegt. Der Luftstrom in den äußeren Bereichen des Toroids vervollständigt den der Kraftstofftropfenströme und Kraftstoff wird in dem toroidalen Luftstrom mitgeführt, um nach innen getragen zu werden. Diese Zerstäubung der Kraftstofftröpfchen trägt zu einer wirksamen Verteilung des Kraftstoffes bei, wobei gleichzeitig der Kraftstoff in einem definierten Bereich bleibt.

Die Spritzwolke ist vorzugsweise in einem konischen Volumen enthalten, das durch einen einbeschriebenen Winkel von nicht weniger als ungefähr als 90° und bis ungefähr 210° definiert ist.

Der in der Luft mitgeführte Kraftstoff kann über eine von einem Tellerventil gesteuerte Einlaßöffnung in die Verbrennungskammer geliefert werden, wobei das Ventil mit einer Mehrzahl von um den Umfang des Kantenbereichs gleichabständig angeordneten Nuten versehen ist. Diese Nuten sehen zwei verschiedene Wege für das Kraftstoff- Gasgemisch vor, einen äußeren durch die nicht genuteten Bereiche der Kante des Ventilelementes gebildeten Weg und einen anderen Weg durch die Nuten, deren Grundkanten radial nach innen von der Außenkante des Ventilelementes versetzt sind.

Die Fläche des Ventils, über die das Gaskraftstoffgemisch geführt ist, wenn das Ventil offen ist, weist vorzugsweise eine divergierende konische Form auf, so daß das von der Endkante strömende Kraftstoff-Gasgemisch seine Strömungsrichtung beibehält, um einen äußeren Bereich von mit Gas mitgeführten Kraftstofftröpfchen zu bilden. Allerdings wird an den Stellen, an denen die Endkante durch die Nuten unterbrochen ist, wenigstens ein Teil des Kraftstoffes und Gases durch die Nuten strömen und somit von der Endkante des Ventils nach innen fließen.

Ein derartiger Aufbau des Tellerventils bildet eine Kraftstoff-Gaswolke, die sehr gut gemischt ist und somit ein sehr gut zündfähiges Gemisch bildet, wobei die Einspritztiefe in die Gasladung in der Verbrennungskammer gering ist. Diese Wolke kann in der Verbrennungskammer in der Nähe der Zündkerze durch geeignete relative Anordnung der Einspritzdüse und der Zündkerze angeordnet werden. Die Partikelgröße des Kraftstoffes in der Wolke liegt vorzugsweise bei bis zu 10 Mikron.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt in vereinfachter Form durch einen Zylinder einer Zweitaktmaschine, bei der die Erfindung angewandt werden kann,

Fig. 2 einen Querschnitt der Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die bei der Erfindung verwendet werden kann,

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt des Düsenbereiches der Einspritzvorrichtung entsprechend Fig. 2,

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht einer bevorzugten Ausbildung des Kopfes des Ventilelementes,

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht mit einem Teilschnitt des Ventilelementes nach Fig. 4,

Fig. 6 eine Darstellung der Wolkenbildung des Kraftstoffstromes, die mit dem Ventilkopf entsprechend Fig. 4 und 5 erzielt wird,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Düsenöffnung, die in Verbindung mit einem üblichen Tellerventil bei der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann,

Fig. 8 ein Diagramm der Spritzweite über die Zeit für drei verschiedene Einspritzdüsen,

Fig. 9 ein Diagramm des Kraftstoffverbrauchs eines Motors mit den gleichen Einspritzdüsen wie bei Fig. 8, und

Fig. 10 ein Diagramm über den Kohlenwasserstoffinhalt in den Abgasen eines Motors mit den gleichen drei Einspritzdüsen, wie bei den Fig. 8 und 9 verwandt.

Fig. 1 zeigt eine Einzylinder-Zweitaktverbrennungsmaschine 9 für Benzin üblicher Konstruktion mit einem Zylinder 10, einem Kurbelgehäuse 11 und einem Kolben 12, der in dem Zylinder 10 hin und her geht. Der Kolben ist über die Pleuelstange 13 mit der Kurbelwelle 14 verbunden. Das Kurbelgehäuse ist mit Lufteinlaßöffnungen 15 mit Luftklappen 19 versehen und drei Überströmkanäle 16 (nur einer gezeigt) verbinden das Kurbelgehäuse mit entsprechenden Überströmöffnungen, von denen zwei bei 17 und 18 gezeigt sind und die dritte entspricht 17 auf der gegenüberliegenden Seite von Öffnung 18. Eine Auslaßöffnung 20 ist in der Wand des Zylinders gegenüberliegend zu der zentralen Überströmöffnung 18 gebildet.

Der lösbare Zylinderkopf 21 weist einen Verbrennungshohlraum 22 auf, in den die Zündkerze 23 und die Einspritzdüse 24 hinragt. Der Hohlraum 22 ist im wesentlichen symmetrisch zu der axialen Ebene des Zylinders angeordnet, die sich durch die Mitte der Überströmöffnung 18 und der Auslaßöffnung 20 erstreckt. Der Hohlraum erstreckt sich durch den Zylinder von der direkt über der Überströmöffnung 18 liegenden Zylinderwand über die Mittellinie des Zylinders hinaus. Der Querschnitt des Hohlraumes 22 längs der oben benannten axialen Ebene des Zylinders ist im wesentlichen kreisbogenförmig am tiefsten Punkt bzw. Basis 28, wobei die Mittellinie des Bogens etwas näher zu der Mittellinie des Zylinders als zu der Zylinderwand über der Überströmöffnung 18 liegt. Das näher an der Zylinderwand über der Überströmöffnung 18 liegende Ende der bogenförmigen Basis 28 geht in eine relative gerade Fläche 25 und das gegenüberliegende Ende der bogenförmigen Basis 28 geht in eine relativ kurze steile Fläche 26 über.

Die Einspritzdüse 24 ist derart angeordnet, daß sie im tiefsten Teil des Hohlraumes 22 liegt, während die Zündkerze 23 in der entfernt von der Überströmöffnung 18 liegenden Fläche des Hohlraumes liegt. Somit wird die in den Zylinder über die Überströmöffnung eintretende Ladeluft längs des Hohlraums an der Einspritzdüse 24 zu der Zündkerze geführt und transportiert in dieser Weise den Kraftstoff von der Düse zur Zündkerze.

Weitere Einzelheiten über die Form des Hohlraumes 22 und den daraus resultierenden Verbrennungsvorgang sind aus der deutschen Patentanmeldung P 36 17 317 zu entnehmen, deren Offenbarung in dieser Anmeldung mit eingeschlossen werden soll.

Die Einspritzdüse 24 ist Bestandteil einer Kraftstoffdosier- und Einspritzvorrichtung, bei der der mit der Luft transportierte Kraftstoff in die Verbrennungskammer der Maschine mittels Druckluft geliefert wird. Eine besondere Ausführungsform der Kraftstoffdosier- und Einspritzeinheit ist in der Fig. 2 dargestellt.

Die Kraftstoffdosier- und Einspritzeinheit weist eine geeignete Dosiervorrichtung 30, beispielsweise einen Drosselkörperinjektor auf, die mit einem Einspritzkörper 31 mit Halteklammer 32 verbunden ist. Der Kraftstoff wird durch die Kraftstoffpumpe aus dem Kraftstofftank 35 gezogen und über den Druckregulator durch die Kraftstoffeinlaßöffnung 33 in die Dosiervorrichtung 30 geliefert. Diese Kraftstoffvorrichtung arbeitet in bekannter Weise und fördert eine dosierte Kraftstoffmenge in die Haltekammer 32 in Übereinstimmung mit dem Kraftstoffbedarf der Maschine. Überschüssiger, der Dosiervorrichtung gelieferter Kraftstoff wird über die Kraftstoffauslaßöffnung 34 wieder in den Kraftstofftank 35 zurückgeführt. Der besondere Aufbau dieser Kraftstoffvorrichtung 30 ist allgemein bekannt und jede geeignete Vorrichtung kann verwendet werden.

Im Betrieb wird die Haltekammer 32 durch von einer Luftquelle 38 über einen Druckregler 39 und die Lufteinlaßöffnung 45 im Körper 31 gelieferte Luft unter Druck gesetzt. Das Einspritzventil 43 wird betätigt und die unter Druck stehende Luft befördert die zugemessene Kraftstoffmenge durch die Einspritzdüse in die Verbrennungskammer der Maschine. Das Einspritzventil 43 ist ein Tellerventil, das nach innen zur Verbrennungskammer öffnet, d. h. nach aussen von der Haltekammer ausgesehen.

Das Einspritzventil 43 ist über einen Ventilstößel 44, der durch die Haltekammer 32 hindurchragt, mit dem Anker 41 eines Magnetventils 47 gekoppelt, das im Einspritzkörper 31 liegt. Das Einspritzventil 43 ist durch eine Tellerfeder 40 in der geschlossenen Stellung vorgespannt und wird durch Erregen der Magnetspule 47 geöffnet. Die Erregung der Magnetspule 47 wird in seitlicher Abhängigkeit von dem Motorzyklus gesteuert, um den Kraftstoff von der Haltekammer 32 in die Verbrennungskammer zu liefern.

Weitere Einzelheiten hinsichtlich der Betriebsweise des eine Haltekammer aufweisenden Krafteinspritzsystems sind in den australischen Patentanmeldungen No. 32 132/84 und 46 758/85 und den entsprechenden US-Patentanmeldungen No. 7 40 067 und 8 49 501 offenbart.

Fig. 3 zeigt die oben beschriebene Einspritzdüse 43 und den benachbarten Teil des Einspritzkörpers 31. Das Ventil 43 ist an dem Ventilstößel 44 befestigt, der durch die Magnetspule 47 (Fig. 2) betätigt wird. Eine radiale Bewegung des Ventils wird durch die Lagerstellen der drei Umfangsflächen 41 an der Wand der Haltekammer 32 gesteuert. Angepaßte Dichtflächen 50, 51 sind auf dem Ventil 43 und in der Öffnung 48 vorgesehen. Diese Flächen haben einen eingeschriebenen Winkel von 120°. Wenn das Ventil 43 betätigt wird, werden die Flächen 50, 51 unter Freilassung eines Ringraumes geöffnet, durch den der Kraftstoff und das komprimierte Gas in die Verbrennungskammer hindurchgelassen werden.

Der Aufbau der Düse beeinflußt den Grad des Eindringens des Kraftstoffes in die Verbrennungskammer. Ein besonderes Ausführungsbeispiel eines Ventilelementes zur Verwendung in der oben beschriebenen Dosier- und Einspritzeinheit ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt.

Um den Umfang des Tellerventils herum sind zwölf gleichabständige Ausnehmungen oder Nuten 65 angeordnet und es ist eine kreisringförmige Dichtfläche 61 vorgesehen, die im Betrieb mit einer entsprechenden Dichtfläche in der Düsenöffnung zusammenarbeitet. Der einbeschriebene Winkel der Dichtfläche 61 beträgt vorzugsweise 120°, es kann aber auch jeder geeignete andere Winkel verwendet werden, beispielsweise ist manchmal ein Winkel von 90° vorgesehen.

Entsprechend Fig. 4 weisen die gegenüberliegenden radialen Wände jeder Nut der um den Umfang des Tellerventils angeordneten Nuten einen einbeschriebenen Winkel von 14,5° auf. Der Gesamtdurchmesser des Ventilkopfes in dem gezeigten Ventil beträgt 4,5 mm und die Breite der Nut zwischen den gegenüberliegenden Seiten 66 beträgt am Umfang 0,7 mm und die minimale Tiefe auf der Mittellinie der Nut 0,7 mm.

Der Nutgrund 67 kann von einer anderen Gestalt als parallel zur Achse des Ventils ausgebildet sein und kann beispielsweise nach innen oder nach unten zu der Achse des Ventils geneigt sein, so daß die Tiefe der Nut an der unteren Fläche des Ventils größer als an der oberen Fläche ist. In einem Ausführungsbeispiel ist der Winkel des geneigten Nutgrundes zu der Achse des Ventils im Bereich von 30°. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Ebene des Nutgrundes parallel zur Ventilachse oder in beide Richtungen gekrümmt sein, so daß die Tiefe der Nut vom oberen zum unteren Ende steigt oder fällt.

Mit einem Ventilkopf des beschriebenen Aufbaus verläßt die Luft-Kraftstoffmischung das Ventil unter Bildung einer Wolke von Kraftstofftropfen in einiger Entfernung unterhalb des Ventilkopfes.

Bezugnehmend auf die Fig. 6 können die Grenzströmungen 70 der sich von dem ungenuteten Teil des Ventils lösenden Kraftstoff- und Gasströmung etwas reicher an Kraftstoff sein als die inneren Ströme.

Die Ströme bewegen sich bis zu einiger Entfernung von dem Ventil und verlangsamen sich, wobei sie in einem Kraftstoffnebel aufbrechen, der ausgehend von den Grenzströmen 70 nach innen getragen wird, um innerhalb der allgemeinen Begrenzungsströme eine im wesentlichen kontinuierliche Wolke 72 feiner, in einem Luftkörper zerstäubten Kraftstofftropfen zu bilden. Die Hauptströme 70 lösen sich von den Kanten des Ventils auf einem divergierenden Weg in Form eines konischen Vorhangs und als Ergebnis des derart erzeugten Druckgradienten werden toroidale Luftströme 73 innerhalb des durch die Kraftstoff- Luftströme 70 begrenzten Volumens gebildet.

Die Teile des toroidalen Stroms, die benachbart zu den Strömen 70 sich befinden, liegen in der gleichen Richtung wie diese. Daher nimmt der äußerste Bereich dieser torodialen Luftströmung Kraftstofftropfen von den Grenzströmen 70 mit sich und führt sie nach innen, wobei sie in einem kreisförmigen Luftstrom zerstreut werden, der die Verteilung unterstützt und die Spritzweite des Kraftstoffes aus der Einspritzdüse begrenzt. Die Wirkung dieser toroidalen Luftströmung 73 liegt daher darin, eine nach außen oder nach unten gerichtete Verteilung der Kraftstofftröpfchen zu verhindern, die eine relativ gestreute Wolke von Kraftstofftropfen bewirken würde, und die Kraftstofftropfen in das Zentrum zu tragen, damit eine konzentrierte Kraftstoffwolke hergestellt werden kann.

Vorteilhafte Wirkungen auf die Steuerung der Kraftstoffverteilung kann auch mit einer Reihe von Nuten in der Öffnung erzielt werden, wobei ein übliches Tellerventil zum Öffnen und Schließen der Öffnung ohne Nuten vorgesehen sein kann. Eine derartige Ausführungsform ist in Fig. 7 gezeigt.

Die Öffnung weist eine ringförmige Dichtungsfläche 80 auf, die im Betrieb mit einer entsprechenden Dichtungsfläche im Tellerventil zusammenarbeitet. Stromabwärts von der Dichtungsfläche 80 ist eine ringförmige im allgemeinen senkrecht zur Öffnungsachse liegende Stirnfläche 81 und eine im wesentlichen zylindrische innere Verbindungsfläche 84 vorgesehen. In der Stirnfläche 81 sind zwölf gleichabständige Nuten 82 angeordnet, die sich von der inneren Fläche 84 zur äußeren Umfangsfläche 83 erstrecken. Vorzugsweise sind die gegenüberliegenden Wände 85 der Nuten parallel. Der Nutgrund ist vorzugsweise flach und parallel zu der Stirnfläche 81. Die Tiefe der Nut ist derart gewählt, daß Teile der durch die Öffnung in Richtung Nut transportierten Kraftstoff-Luftladung bei geöffnetem Ventil nicht an der zylindrischen Fläche 84 anstoßen und ungehindert die Nut passieren können. Der Teil der Kraftstoff-Luftladung, der auf die zylindrische Fläche 84 zwischen den Nuten 82 auftrifft, wird umgelenkt, um längs dieser Fläche zu strömen.

Die beschriebene Anordnung der Nuten in der Öffnung teilt die aus der Öffnung heraustretende Kraftstoff-Luftmischung in zwei Anordnungen von Kraftstofftröpfchen, einen äußeren durch die Nuten 82 hindurchströmenden Bereich und einen inneren Bereich, der durch die nicht genuteten Teile der inneren Fläche 81 bestimmt ist. Dabei ist der äußere Strömungsbereich divergierend in Hinsicht zur Achse der Öffnung, wobei sie sich im wesentlichen in Richtung der Dichtungsfläche 80 fortsetzt, während die innere Strömung eine im wesentlichen zylindrische Form der inneren Fläche 81 folgend aufweist.

Die durch die genutete Öffnung erzeugte Kraftstoffwolke weist eine ebenso niedrige Spritzweite auf wie die Wolke, die mit dem genuteten Ventil gleichen Winkels erzeugt wird und so kann die resultierende Kraftstoffwolke hauptsächlich in einem Verbrennungshohlraum zurückgehalten werden, der in einem Zylinderkopf entsprechend der Höhlung 22 in Fig. 1 vorgesehen ist. Auch wenn die oben beschriebene genutete Öffnung verwendet wird, werden die zwei Strömungsbereiche der Kraftstofftröpfchen in erhöhtem Maße der Luft ausgesetzt, um so die Zündfähigkeit und Verbrennungsfähigkeit zu erhöhen.

Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung, bei der der Kraftstoff aus drei verschiedenen Einspritzdüsen eingespritzt wird. Die für diese graphischen Darstellungen benutzten Daten wurden durch Einspritzen von Kerosin aus den jeweiligen Düsen in ruhende Luft bei atmosphärischem Druck erhalten. Kerosin wurde als Ersatz für Benzin aus Sicherheitsgründen verwendet und die mit Kerosin erzielten Entfernungen und Geschwindigkeiten werden sich nicht signifikant von denen des Benzins unterscheiden. Es wurde die Kraftstoffdosier- und Einspritzeinheit nach Fig. 1 mit einer Luftzuführung bei einem Druck von 550 KPa, einem Einspritzventilweg von 0,35 mm und einer Kraftstoffmenge im Bereich von 5,1 bis 5,35 mg verwendet.

Kurve 90 wurde mit einer Einspritzdüse erzielt, die ein geschlossenes Tellerventil in einer Vertiefung an der Spitze der Düse aufweist, wobei die Vertiefung eine im wesentlichen zylindrische, das Ventil in seiner Offenstellung umgebenden Wand bildet. Diese Konstruktion erzeugt einen radial gefaßten Spritzstrom großer Spritzweite. Die Steigung der Kurve 90 stellt die Geschwindigkeit des eingespritzten Gemisches dar, die im Bereich von 50 m/s bei einer axialen Entfernung von 25 mm von der Düse liegt und noch 45 m/s in einer Entfernung von 50 bis 70 mm von der Düse beträgt.

Die Kurve 91 wurde mit einer Einspritzdüse erzielt, die auf der für die Kurve 90 verwendeten basiert und in der Weise modifiziert wurde, daß Nuten in der das Ventil umgebenden zylindrischen Wand entsprechend Fig. 7 vorgesehen wurden. Die Einspritzgeschwindigkeiten in axialer Richtung liegen ungefähr bei 20 m/s bei 25 mm Entfernung von der Düse und bei 12 m/s zwischen 50 und 70 mm Entfernung von der Düse.

Kurve 92 wurde mit einer Einspritzdüse entsprechend den Fig. 4 und 5 mit einer Vielzahl von Nuten in der Umfangsfläche des Ventils erzielt. Dieser Aufbau ergibt die niedrigste Spritzweite der drei getesteten Düsen. In einer axialen Entfernung von ungefähr 30 mm von der Düse entfernt beträgt die Einspritzgeschwindigkeit ungefähr 12 m/s und bei 50 bis 60 mm Entfernung ungefähr 7 m/s.

Fig. 9 zeigt eine graphische Darstellung des Kraftstoffverbrauchs über das Drehmoment für jede der drei Einspritzdüsen entsprechend Fig. 8. Die Kurven sind mit 90 A, 91 A und 92 A bezeichnet und geben den Kraftstoffverbrauch für die Einspritzdüsen entsprechend den Kurven 90, 91 und 92 aus Fig. 8 wieder. Aus Fig. 9 ist zu erkennen, daß insbesondere bei niedrigen Drehmomentbereichen wesentliche Kraftstoffeinsparungen bei der Anwendung der Einspritzung mit niedrigen Spritzweiten erzielt werden.

In Fig. 10 sind Kurven für den in den Abgasen des Motors enthaltenen Kohlenwasserstoff in Abhängigkeit vom Drehmoment des Motors dargestellt, wobei die Bezugsziffer 90 B, 91 B und 92 B sich auf die entsprechenden Einspritzdüsen beziehen, wie sie bei den Kurven 90, 91 und 92 in Fig. 8 verwendet wurden. Die zwei Düsen mit niedriger Spritzweite bringen eine signifikante Verringerung der Kohlenwasserstoffe im Abgas (91 B, 92 B) im Vergleich mit der Einspritzung mit hoher Spritzweite (90 B) mit sich.

Die vorliegende Erfindung kann bei jeder Form von Kraftstoffeinspritzsystemen angewandt werden, bei denen der Kraftstoff mit Luft oder anderen Gasen, insbesondere ein die Verbrennung unterstützendes Gas transportiert und über eine Düse in die Verbrennungskammer geliefert wird.

In einem besonderen Kraftstoffeinspritzsystem wird eine abgemessene Kraftstoffmenge in einen Luftkörper geliefert und das so gebildete Luft-Kraftstoffgemisch wird über eine Düse bei deren Öffnung durch die Druckdifferenz zwischen Luftkörper und Gasladung in der Verbrennungskammer entladen. Der Luftkörper kann statisch oder in Bewegung sein, wenn der Kraftstoff zugemessen wird. Die Dosierart des Kraftstoffs kann in jeder geeigneten Weise gewählt werden einschließlich durch unter Druck stehende Kraftstoffzuführungen, bei denen Kraftstoff für eine einstellbare Zeit in den Luftkörper eingegeben werden oder einschließlich individuell zugemessenen Kraftstoffmengen, die mit einem Luftimpuls zugeführt werden.

Die Einspritzweite des Kraftstoffes in die Verbrennungskammer kann durch die Konstruktion der Einspritzdüse gesteuert werden, wie oben beschrieben wurde, und/oder durch die Steuerung des Druckdifferentials durch die Düse und/oder durch die Hubhöhe des den Strom durch die Düse steuernden Ventilelements. Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignete Kraftstoffeinspritz- und Dosiereinrichtungen sind in den US-PS No. 44 62 760 und 45 54 945 und den internationalen Patentanmeldungen No. PCT/AU84/00 150 und PCT/AU85/00 176 offenbart.

Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit einer Zweitaktmaschine mit Funkenzündung beschrieben, sie kann aber auch für funkengezündete Viertaktmaschinen angewendet werden. Die Erfindung kann bei Verbrennungsmaschinen für alle Zwecke angewandt werden, aber sie ist besonders nützlich im Zusammenhang mit Kraftstoffeinsparungen und Steuerung der Abgasemission für in Fahrzeugen verwendete Motoren, beispielsweise in Automobilen, Motorrädern und Schiffen einschließlich Außenbordmotoren.

Claims (20)

1. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer einer Verbrennungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine dosierte Kraftstoffmenge in einem Gas mitgerissen wird, daß das so gebildete Kraftstoff- Gasgemisch durch eine Düse in die Verbrennungskammer derart geliefert wird, daß der Kraftstoffstrom eine Verteilungsgeschwindigkeit in Richtung der Spritzachse von nicht mehr als 25 m/sec bei einer Spritzweite von der Düse entfernt von 35 mm bei atmosphärischem Druck in ruhender Luft aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsgeschwindigkeit in Richtung der Spritzachse weniger als 18 m/sec bei 70 mm Spritzweite bei atmosphärischem Druck in ruhender Luft beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsgeschwindigkeit bei 35 mm Spritzweite weniger als 18 m/sec beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsgeschwindigkeit bei den 35 mm Spritzweite 6 bis 10 m/sec beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlverteilungsgeschwindigkeit in Richtung senkrecht zur Spritzachse weniger als 20 m/sec in einem radialen Abstand von 35 mm von dieser Achse entfernt beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlverteilungsgeschwindigkeit in Richtung senkrecht zur Spritzachse weniger als 10 m/sec bei 35 mm Entfernung zu dieser Achse beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dosierte Kraftstoffmenge in eine Gas enthaltende Kammer geliefert wird, um den Kraftstoff in diesem Gas mitführen zu lassen und daß eine Auslaßöffnung selektiv geöffnet wird, um diese Kammer mit der Verbrennungskammer zu verbinden, wobei das Gas in der Kammer einen derartigen Druck aufweist, daß das Kraftstoff-Gasgemisch in die Verbrennungskammer geliefert wird, wenn die Auslaßöffnung offen ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bevorzugte Wege für das Kraftstoff-Gasgemisch hergestellt werden, wenn es durch die Auslaßöffnung hindurchgeführt wird, derart, daß ein erster Bereich von mit dem Gas mitgeführten Kraftstofftröpfchen mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und ein zweiter Bereich von mit dem Gas mitgeführten Kraftstofftröpfchen erzeugt werden, der innerhalb des ersten Bereiches liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich der mit dem Gas mitgeführten Kraftstofftröpfchen in bezug auf die Achse des Bereiches nach außen auseinandergeht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Gas mitgeführte Kraftstoff in die Verbrennungskammer durch eine Einlaßöffnung mit einem wahlweise zu der Öffnung bewegbaren Ventilelement zum Öffnen und Schließen der Öffnung eingespritzt wird, wobei die Öffnung und das Ventilelement einen ringförmigen Durchgang bilden, wenn die Öffnung offen ist, und daß der Durchgang eine Mehrzahl von Nuten aufweist, die zumindest teilweise an mindestens einer Umfangskante des ringförmigen Durchganges angeordnet ist, und daß der mit dem Gas mitgeführte Kraftstoff durch den Durchgang hindurchgetrieben wird, wobei ein Teil davon durch die Nuten hindurchgeht, die derart angeordnet sind, daß ein in die Verbrennungskammer auf einem Weg einströmender Bereich der mit dem Gas mitgeführten Kraftstofftröpfchen gebildet wird, der unterschiedlich zu dem der aus dem ringförmigen Durchgang ausströmenden restlichen mit dem Gas mitgeführten Kraftstofftröpfchen ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsmaschine ein funkengezündeter Zweitaktmotor ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer zwischen einem Zylinderkopf und einem sich in dem Zylinder hin- und herbewegenden Kolben gebildet wird, wobei der Zylinderkopf einen zum Kolben hin geöffneten Hohlraum aufweist und daß das Kraftstoff-Gasgemisch durch die Wand des Hohlraumes in Richtung zum Kolben in die Verbrennungskammer eingespritzt wird.

13. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Verbrennungskammer einer funkengezündeten Verbrennungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer zwischen einem Zylinderkopf und einem sich in dem Zylinder hin- und herbewegenden Kolben gebildet wird, wobei der Zylinderkopf einen zum Kolben hin offenen Hohlraum aufweist, daß eine dosierte Kraftstoffmenge in einem Gas mitgeführt wird und der mit dem Gas mitgeführte Kraftstoff in die Verbrennungskammer durch eine Einlaßöffnung mit einem wahlweise zu der Öffnung bewegbaren Ventilelement zum Öffnen und Schließen der Öffnung geliefert wird, wobei die Öffnung und das Ventilelement einen ringförmigen Durchgang bilden, wenn die Öffnung offen ist und daß der mit dem Gas mitgeführte Kraftstoff unter derartigen Bedingungen durch den Durchgang hindurch geliefert wird, daß ein Kraftstoffstrom oder -strahl mit einer Verteilungsgeschwindigkeit in Richtung der Spritzachse von nicht mehr als 25 m/s bei einer Spritzweite von der Düse entfernt von 35 mm bei atmosphärischem Druck in ruhender Luft gebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang eine Mehrzahl von Nuten aufweist, die zumindest teilweise an mindestens einer Umfangskante des ringförmigen Durchgangs angeordnet ist und daß der mit dem Gas mitgeführte Kraftstoff durch den Durchgang hindurch getrieben wird, wobei ein Teil davon durch die Nuten geht, die derart angeordnet sind, daß ein in die Verbrennungskammer auf einem Weg einströmende Bereich der mit dem Gas mitgeführten Kraftstofftröpfchen gebildet wird, der unterschiedlich zu dem der aus dem ringförmigen Durchgang ausströmenden restlichen mit dem Gas mitgeführten Kraftstofftröpfchen ist.

15. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer einer Verbrennungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine dosierte Menge Kraftstoff durch eine Düse in die Verbrennungskammer unter solchen Bedingungen geliefert wird, daß ein Kraftstoffstrom oder -strahl mit einer Verteilungsgeschwindigkeit in Richtung der Spritzachse von nicht mehr als 25 m/sec bei einer Spritzweite von der Düse entfernt von 35 mm bei atmosphärischem Druck in ruhender Luft gebildet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsgeschwindigkeit in Richtung der Spritzachse weniger als 18 m/s bei 70 mm Spritzweite bei atmosphärischem Druck in ruhender Luft beträgt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsgeschwindigkeit bei 35 mm Spritzweite weniger als 18 m/s beträgt.

18. Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlverteilungsgeschwindigkeit in Richtung senkrecht zur Spritzachse weniger als 20 m/s in einem radialen Abstand von 35 mm von dieser Achse entfernt beträgt.

19. Verbrennungsmaschine für ein Automobil, gekennzeichnet durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die in Übereinstimmung mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 arbeitet.

20. Außenbord-Schiffsverbrennungsmaschine, gekennzeichnet durch eine Einspritzvorrichtung, die gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18 arbeitet.