DE602005006212T2 - Brennkraftmaschine mit einem Einspritzventil mit optimierten Kraftstoffspritzstrahlen - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einem Einspritzventil mit optimierten Kraftstoffspritzstrahlen Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung von dem Typ, der ein Mehrstrahl-Kraftstoffeinspritzventil aufweist.
  • Die Erfindung betrifft genauer einen Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der einen Zylinderkopf aufweist, der mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil trägt, das an seinem freien axialen Ende mit einer Einspritzdüse versehen ist, die eine Anzahl "i" von Einspritzlöchern aufweist, die ringförmig entlang mindestens einer Reihe angeordnet sind, um den Kraftstoff in Form einer Einspritzlage, die aus den "i" unsymmetrischen Kraftstoffstrahlen Ji besteht, direkt ins Innere einer zugeordneten Brennschale zu zerstäuben, die in der Oberseite eines Kolbens des Motors hergestellt ist, wobei jeder Strahl Ji von einem Punkt I des Einspritzventils bis zu einem Schnittpunkt Mi der Zerstäubungsachse B des Strahls Ji mit der Wand der Schale eine Länge Li zurücklegt, und wobei der Abstand zwischen zwei Schnittpunkten Mi, Mi+1 zwei benachbarter Strahlen Ji, Ji+1 von einem ArcJi,Ji+1 entsprechenden Bogen definiert wird.
  • Es sind viele Beispiele von Kraftfahrzeugmotoren dieses Typs bekannt, bei denen man insbesondere die Leistungen verbessern möchte, indem parallel einerseits ihr Verbrauch und andererseits die Emission von Schadstoffen wie Stickoxiden (NOx) und Rußpartikeln reduziert werden.
  • Solche Verbesserungen können insbesondere erhalten werden, indem auf die Qualität der Mischung zwischen den Ansauggasen und dem Kraftstoff eingewirkt wird, um in der Brennkammer des Motors eine im Wesentlichen homogene Mischung herzustellen.
  • Gemäß einer bekannten konventionellen Gestaltung eines Motors mit Direkteinspritzung ist das Einspritzventil in einer bezüglich der senkrechten Achse des Zylinders exzentrischen Position angeordnet, insbesondere aufgrund des Vorhandenseins der Ansaug- und Auslassventile.
  • Damit die Kraftstoffeinspritzung aber so nahe wie möglich der Achse des Zylinders erfolgt, in dem der Kolben gleitet, wird die Düse oder Nase des Einspritzventils dann aber allgemein der Achse des Zylinders angenähert, indem die allgemeine Achse des Einspritzventils bezüglich der Achse des Zylinders geneigt wird.
  • Die Druckschrift FR-A-2.844.012 beschreibt und veranschaulicht insbesondere in 1 ein Beispiel eines Verbrennungsmotors, der ein exzentrisches Kraftstoffeinspritzventil aufweist, d. h. ein Einspritzventil, das einerseits radial bezüglich der Achse des Zylinders versetzt und andererseits so geneigt ist, dass die allgemeine Achse des Einspritzventils einen Winkel mit der Achse des Zylinders bildet.
  • Wenn das Einspritzventil exzentrisch ist, sind die verschiedenen eingespritzten Kraftstoffstrahlen unsymmetrisch, insbesondere durchlaufen die verschiedenen Kraftstoffstrahlen unterschiedliche Längen, ehe sie mit der Innenwand der Brennschale in Kontakt kommen. Dies bewirkt aber ein Ungleichgewicht zwischen der Verteilung des Kraftstoffs und der Ansauggase und beeinträchtigt folglich die Qualität der Mischung, die, da sie nicht optimal ist, es nicht ermöglicht, eine möglichst homogene Mischung zu erhalten.
  • Bei einem Motor mit Direkteinspritzung sind die Hauptphänomene, die sich kombinieren und die es ermöglichen, eine solche im Wesentlichen homogene Mischung zu erhalten, im Wesentlichen die Zerstäubung des Kraftstoffs und die Luftbewegungen innerhalb der Ladung der Ansauggase und diejenigen, die vom Einspritzen des Kraftstoffs erzeugt werden.
  • Daher hat man insbesondere versucht, die Verteilung der Strahlen in der Brennschale zu optimieren, um die Homogenität der Mischung des Kraftstoffs mit den Ansauggasen zu verbessern.
  • Im Stand der Technik sind verschiedene Methoden wie die so genannte "winkelgleiche" Methode bekannt, die es ermöglichen können, ein Kraftstoffeinspritzventil zu konzipieren und herzustellen, bei dem die Verteilung der zerstäubten Strahlen für eine gegebene Anwendung und in Abhängigkeit von einer gewissen Anzahl von bestimmten Betriebsparametern, insbesondere der Brennkammer des Motors, optimiert ist.
  • Gemäß der "winkelgleichen" Methode weist die Einspritzdüse des Einspritzventils Einspritzlöcher auf, die gleichmäßig ringförmig um die Düse gemäß mindestens einer Reihe von Löchern verteilt sind, so dass die spitzen Winkel, die zwischen jeder der Hauptzerstäubungsachsen der Kraftstoffstrahlen enthalten sind, alle untereinander gleich sind.
  • Bei den bekannten Methoden des Stands der Technik wird jeder Strahl nur einer Geraden gleichgestellt, die der Hauptzerstäubungsachse des Kraftstoffstrahls entspricht, ohne dass die Wirkung der Bewegungen der Ansauggase auf die Strahlen berücksichtigt wird, und in der "winkelgleichen" Methode ohne Berücksichtigung der von jedem der Strahlen durchlaufenen Länge, ehe er mit der Wand der Schale in Kontakt kommt.
  • Man hat aber feststellen können, dass die Einspritzstrahlen sich in der Brennschale unter der Wirkung der Ansauggase, und insbesondere der "Swirl"-Bewegung, die sich in der Brennschale um eine Achse bildet, die mit der Achse des Zylinders im Wesentlichen zusammenfällt oder parallel zu ihr ist, "einrollen".
  • Die Erfindung schlägt also einen Verbrennungsmotor vor, der ein Kraftstoffeinspritzventil aufweist, bei dem die Merkmale der Einspritzlöcher so bestimmt werden, dass diese Einrollwirkung der Kraftstoffstrahlen berücksichtigt wird, um die Verteilung der Strahlen zu optimieren und somit eine im Wesentlichen homogene Mischung zu erhalten.
  • Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung einen Verbrennungsmotor des oben beschriebenen Typs vor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Löcher der Einspritzdüse so hergestellt werden, dass die Summe S der Länge Li und des Bogens ArcJi,Ji+1 für jeden Strahl Ji gleich einer Konstanten ist.
  • Die Summe S wird auch die "freie Länge" des Strahls genannt.
  • Vorteilhafterweise wird die Länge Li jedes Strahls Ji insbesondere durch den Durchmesser oder den Querschnitt des entsprechenden Lochs der Einspritzdüse bestimmt.
  • Gemäß anderen Merkmalen der Erfindung:
    • – ist die Länge Li die Länge des Geradesegments, das den Punkt I des Einspritzventils 38 gemäß der Zerstäubungsachse B des Strahls Ji mit einem Schnittpunkt Mi verbindet;
    • – wird der Bogen ArcJi,Ji+1 gemäß der folgenden Beziehung bestimmt: ArcJi,Ji+1 = pJi,Ji+1 × Rmin der pJi,Ji+1 der spitze Winkel, ausgedrückt in Radian, zwischen zwei benachbarten Strahlen Ji und Ji+1 ist, und in der Rm der mittlere Radius der Brennschale ist;
    • – sind die Löcher der Einspritzdüse winkelmäßig so um die Hauptachse A des Einspritzventils verteilt, dass die Summe S gleich einer Konstanten ist;
    • – wird der Durchmesser jedes Lochs der Einspritzdüse in Abhängigkeit von der Länge Li des Strahls Ji bestimmt.
  • Durch die Erfindung vermischt sich der Kraftstoff jedes Einspritzstrahls optimal mit den Ansauggasen.
  • Genauer kann jeder Strahl sich insbesondere unter der Einwirkung der Swirl-Wirkung äquivalent entwickeln, d. h. mit einer gleichen "freien Länge", indem er sich in Richtung der Wirbelbewegung "einrollt", was es ermöglicht, eine optimale Verteilung der Kraftstoffstrahlen, obwohl sie unsymmetrisch sind, und folglich eine im Wesentlichen homogene Mischung zu erhalten.
  • Vorteilhafterweise weist der Motor Mittel auf, um auf der Ansaugseite eine geordnete Wirbelbewegung vom Typ "Swirl" zu erzeugen.
  • Durch die Erfindung wird der Austausch zwischen dem eingespritzten Kraftstoff und den Ansauggasen des Verbrennungsmotors verbessert, und es werden die Leistungen des Motors erhöht, bei gleichzeitiger Verringerung der Bildung von Schadstoffen wie Ruße und andere nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe, die den schwarzen Rauch am Auspuff bilden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung hervor, für deren Verständnis auf die beiliegenden Figuren verwiesen wird. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht im axialen Schnitt, die einen Zylinder eines Verbrennungsmotors darstellt;
  • 2 eine schematische Ansicht in Perspektive des Einspritzventils der 1, dessen Löcher in der Düse erfindungsgemäß hergestellt sind und die die Verteilung der Strahlen mit äquivalenter freier Länge darstellt;
  • 3 eine Draufsicht auf 2 ohne das Einspritzventil, die die geometrische Projektion der Strahlen in eine waagrechte Einspritzebene zeigt.
  • In 1 ist schematisch ein Teil eines Verbrennungsmotors 10 vom Typ mit Direkteinspritzung dargestellt.
  • 1 zeigt genauer einen Zylinder 12 mit einer senkrechten Achse X-X und einen Kolben 14, der axial in dem Zylinder 12 des Motors 10 gleiten kann, indem er eine Hin- und Herbewegung ausführt. Der Kolben 14 hat einen Kopf 16 in seinem oberen Abschnitt und eine axiale Schürze 18 in seinem unteren Abschnitt.
  • Die zylindrische Außenwand 20 des Kopfes 16 weist ringförmige Umfangskehlen 22 auf, die Segmente 24 aufnehmen.
  • Der Kolben 14 weist in seiner Oberseite 26 einen Hohlraum oder Brennschale 28 auf, die den unteren Bereich einer Brennkammer 30 begrenzt und deren oberer Bereich vom Zylinderkopf 32 des Motors begrenzt wird.
  • Die Brennschale 28 weist hier eine Drehsymmetrie um eine senkrechte Achse auf, die mit der Achse X-X des Zylinders 12 zusammenfällt.
  • Die Brennschale 28 weist vorzugsweise eine ringförmige Umfangskehle 34 und eine zentrale Wölbung 36 auf, hier global in Form einer kegeligen Kalotte.
  • Der Zylinderkopf 32 weist mindestens eine Luftansaugleitung, die über eine Eingangsöffnung, die von einem Ansaugventil verschlossen wird (nicht dargestellt), in die Brennkammer 30 mündet, und mindestens einen Auslasskanal für die Abgase auf, der über eine Ausgangsöffnung, die dazu bestimmt ist, von einem Auslassventil (nicht dargestellt) verschlossen zu werden, in die Brennkammer 30 mündet.
  • Der Zylinderkopf 32 trägt ein Kraftstoffeinspritzventil 38, dessen Einspritzdüse oder -nase 40 direkt in die Brennkammer 30 des Motors mündet.
  • Die Einspritzdüse 40 des Einspritzventils 38 weist eine Anzahl "i" von Löchern 42 auf, die hier axial in einer einzigen Reihe angeordnet und bezüglich der allgemeinen Achse A des Einspritzventils ringförmig um die Düse 40 verteilt sind.
  • Vorzugsweise ist die Anzahl "i" von Löchern 42 größer als oder gleich 6.
  • Vorteilhafterweise sind die Löcher 42 der Einspritzdüse 40 winkelmäßig regelmäßig um die Hauptachse A des Einspritzventils 38 verteilt.
  • Der Kraftstoff wird so durch die Löcher 42 in Form einer global kegelstumpfförmigen Einspritzlage zerstäubt, die aus der Gesamtheit der Strahlen Ji entsprechend der Anzahl "i" von Löchern 42 besteht.
  • Die Einspritzlage besitzt einen bestimmten "Lagenwinkel", der der Öffnung an der Spitze des Kegels entspricht und der vom Typ des Einspritzventils 38 und der zugeordneten Brennschale 28 abhängt.
  • Die Spitze jedes Strahl Ji befindet sich in der Nähe eines Punkts I, der sich global in der Mitte der Düse 40 des Einspritzventils 38 auf der allgemeinen Achse A des Einspritzventils befindet.
  • Wie man in den 1 und 2 sehen kann, durchläuft jeder Strahl Ji vom Punkt I des Einspritzventils 38 bis zu einem Schnittpunkt Mi der Hauptachse B des Strahls Ji mit der Wand 44 der Schale 28 ein Geradesegment der Länge Li.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Kraftstoff in Form einer durch sechs unsymmetrische Strahlen J1 bis J6 bestimmten Einspritzlage eingespritzt, die global gemäß ihren jeweiligen Zerstäubungsachsen B geradlinig sind.
  • Die Einspritzdüse 40 weist so sechs entsprechende Löcher 42 auf, die ringförmig angeordnet und axial in einer einzigen Reihe 46 verteilt sind, die hier einen Kranz bildet.
  • Da die Strahlen Ji unsymmetrisch sind, weist jeder Strahl Ji eine bestimmte Länge Li auf, die ihm eigen ist und die von vielen Parametern und insbesondere dem Radius der Brennschale 28 abhängt.
  • Jedes Loch 42 ist hier kreisförmig und hat einen konstanten Querschnitt oder den gleichen Durchmesser, aber in einer Variante können die Löcher unterschiedliche Durchmesser oder andere Formen haben, wie Kegelstumpfformen, und sich gemäß einer geradlinigen oder gekrümmten Hauptachse erstrecken.
  • Der Abstand zwischen zwei Schnittpunkten Mi, Mi+1 eines ersten Strahls Ji und eines zweiten Strahls Ji +1, der ihm benachbart ist, zum Beispiel gemäß der Richtung der "Swirl"-Wirbelbewegung, wird von einem Bogen bestimmt, hier dem Bogen ArcJi,Ji+1.
  • Vorzugsweise befinden sich alle Schnittpunkte M1 bis M6 der Hauptachse jedes Strahls Ji gemäß der Zerstäubungsachse B mit der Wand 44 der Schale 28 auf der gleichen axialen Seite gemäß der Achse X-X des Zylinders 12, d. h. in der gleichen waagrechten Ebene orthogonal zu der Achse X-X.
  • In einer Variante kann das senkrechte Maß jedes der Punkte M1 bis M6 alle möglichen Werte entlang der Wand 44 der Schale 28 annehmen, damit jeder Strahl Ji mit den Ansauggasen großer Geschwindigkeit in Kontakt kommt.
  • Erfindungsgemäß werden die Löcher 42 der Einspritzdüse 40 so hergestellt, dass die Summe S der Länge Li und des Bogens ArcJi,Ji+1 jedes Strahls Ji gleich einer Konstanten ist.
  • Die Länge Li eines Strahls Ji ist die Länge des Geradensegments, das gemäß der Hauptachse B des Strahls Ji den Punkt I des Einspritzventils 38 mit dem Schnittpunkt Mi des Strahls Ji verbindet.
  • Außerdem wird der Bogen ArcJi,Ji+1 gemäß folgender Beziehung bestimmt: ArcJi,Ji+1 = pJi,Ji+1 × Rmin der pJi,Ji+1 der spitze Winkel ausgedrückt in Radian ist und zwischen zwei benachbarten Strahlen Ji und Ji+1 liegt,
    und in der Rm der mittlere Radius der Brennschale 28 ist.
  • Der Wert des spitzen Winkels (pJi,Ji+1) ist so für jeden der Strahlen J1 bis J6 unterschiedlich und entspricht zum Beispiel in der Projektion der 3 "α" für die benachbarten Strahlen J1 und J2 oder "β" für die folgenden aufeinanderfolgenden Strahlen J2 und J3.
  • Vorteilhafterweise ist die ringförmige Brennschale 28 global kreisförmig und hier auf die Achse X-X des Zylinders zentriert, in der dem der Kolben 14 gleitet.
  • Wie man in den 2 und 3 sehen kann, ist hier schematisch eine Einspritzebene P dargestellt, die lotrecht zur Achse X-X des Zylinders 12 ist und die sich waagrecht erstreckt, indem sie durch alle Schnittpunkte M1 bis M6 der Strahlen J1 bis J6 geht.
  • Die Einspritzebene P weist hier global eine begrenzte Kreisform auf, die durch die Gesamtheit der Schnittpunkte M1 bis M6 geht.
  • Der Betrieb eines solchen Kraftstoffeinspritzventils 38 ist im Stand der Technik allgemein bekannt.
  • Es wird daran erinnert, dass die Einspritzung des Kraftstoffs vorteilhafterweise gleichzeitig durch alle Einspritzlöcher durchgeführt wird, wenn die Düse eine einzige Reihe aufweist und wenn die Einspritzung in Form einer Anzahl "i" von zerstäubten Kraftstoffstrahlen erfolgt, die eine bestimmte Einspritzlage 48 bilden.
  • Die Einspritzung erfolgt vorzugsweise, wenn der Kolben 14 im Wesentlichen eine oberer Totpunkt genannte Position (PMH) erreicht.
  • Der Strahl J1 wird durch eines der Löcher 42 der Einspritzdüse 40 gemäß einer Hauptachse B eingespritzt, und er durchläuft eine Länge L1 entsprechend dem Geradensegment zwischen dem Punkt I und dem Schnittpunkt M1 der Hauptachse B des Strahls J1 mit der Wand 44 der Brennschale 28.
  • Der Pfeil F zeigt die Richtung der Swirl-Wirbelbewegung in der Brennschale 28 der Kammer 30 an.
  • In gleicher Weise wird der Strahl J2 gleichzeitig mit dem Strahl J1, durch das folgende Loch 42 der Reihe 46 eingespritzt, hier gemäß dem Pfeil F, und gemäß einer Hauptachse B des Strahls J2, der so eine Länge L2 durchläuft, die global dem Geradensegment entspricht, das vom Punkt I ausgeht und am Schnittpunkt M2 der Hauptachse B des Strahls J2 mit der Wand 44 der Brennschale 28 endet.
  • Gemäß einem wichtigen Merkmal entspricht die zu durchlaufende Länge, um ausgehend vom Punkt M1 zum benachbarten Punkt M2 zu kommen, hier entlang der Wand 44 der Brennschale 28 einem Bogen, genauer dem Bogen ArcJ1,J2.
  • Gleiches gilt für den Strahl J3, so dass der Schnittpunkt M2 des Strahls J2 vom Schnittpunkt M3 des Strahls J3 um einen Abstand entsprechend ArcJ2,J3 getrennt ist, usw.
  • Die Kraftstoffstrahlen rollen sich unter der Wirkung der Swirl-Wirbelbewegung gemäß dem Pfeil F in der Brennschale 28 ein und gehen so je über eine freie Länge entsprechend der Summe S, die durch die folgende Beziehung definiert wird: S = Li + ArcJi,Ji+1
  • Erfindungsgemäß wurde festgelegt, dass die Löcher 42, insbesondere die axiale und/oder winkelmäßige Position jedes Lochs 42, so festgelegt werden müssen, dass die freie Länge jedes der Strahlen Ji gleich ist, um eine optimale Verteilung des Kraftstoffs und eine homogene Mischung des Kraftstoffs mit den Ansauggasen zu garantieren.
  • Man erreicht so, dass die freie Länge der Strahlen, zum Beispiel J1 bis J3, konstant ist, nämlich durch die folgende Beziehung ausgedrückt: S = L1 + ArcJ1,J2 = L2 + ArcJ2,J3 = L3 + ArcJ3,J4 = Li + ArcJi,Ji+1
  • Jeder Strahl rollt sich dann über eine Länge ArcJi,Ji+1 ein, die ihm eigen ist und die gemäß der folgenden Beziehung bestimmt wird: ArcJi,Ji+1 = pJi+1+1 × Rmin der (pJi+1+1) der Winkel ausgedrückt in Radian ist, der zwischen den senkrechten Projektionen der zwei benachbarten Strahlen Ji und Ji +1 in der waagrechten Einspritzebene P liegt,
    und in der Rm der mittlere Radius der Brennschale 28 ist, nämlich hier der Radius R der kreisförmigen Einspritzebene P mit der Mitte O.
  • Wie man in 3 sehen kann, entspricht der Winkel pJ1,J2 dem Winkel, der zwischen den Projektionen der benachbarten Strahlen J1 und J2 liegt, die je den Längenbereichen L1 und L2 entsprechen.
  • Der Punkt I' entspricht der Projektion des Punkts I der Einspritzdüse 40 der Strahlen J1 bis J6.
  • In einer Variante wird der Durchmesser jedes Lochs 42 der Einspritzdüse 40 vorzugsweise in Abhängigkeit von der Länge Li des Strahls Ji bestimmt.

Claims (6)

  1. Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, der einen Zylinderkopf (32) aufweist, der mindestens ein Kraftstoffeinspritzventil (38) trägt, das an seinem freien axialen Ende mit einer Einspritzdüse (40) versehen ist, die eine Anzahl "i" von Einspritzlöchern (42) aufweist, die ringförmig entlang mindestens einer Reihe (46) angeordnet sind, um den Kraftstoff in Form einer Einspritzlage (48), die aus den "i" unsymmetrischen Kraftstoffstrahlen (Ji) besteht, direkt ins Innere einer zugeordneten Brennschale (28) zu sprühen, die in der Oberseite (26) eines Kolbens (14) des Motors hergestellt ist, wobei jeder Strahl (Ji) von einem Punkt (I) des Einspritzventils (38) bis zu einem Schnittpunkt (Mi) der Sprühachse (B) des Strahls (Ji) mit der Wand der Schale (28) eine Länge (Li) zurücklegt, und wobei der Abstand zwischen zwei Schnittpunkten (Mi, Mi+1) zwei benachbarter Strahlen (Ji, Ji+1) von einem Bogen (ArcJi,Ji+1) definiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (42) der Einspritzdüse (40) so hergestellt werden, dass die Summe (S) der Länge (Li) und des Bogens (ArcJi,Ji+1) für jeden Strahl (Ji) konstant ist.
  2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (Li) die Länge des Geradesegments ist, das den Punkt (I) des Einspritzventils (38) gemäß der Sprühachse (B) des Strahls (Ji) mit einem Schnittpunkt (Mi) verbindet.
  3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bogen (ArcJi,Ji+1) gemäß der folgenden Beziehung bestimmt wird: ArcJi,Ji+1 = pJi+1+1 × Rmin der (pJi+1+1) der spitze Winkel, ausgedrückt in Radian, zwischen zwei benachbarten Strahlen (Ji) und (Ji +1) ist, und in der (Rm) der mittlere Radius der Brennschale ist.
  4. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (42) der Einspritzdüse (40) winkelmäßig so um die Hauptachse (A) des Einspritzventils (38) verteilt sind, dass die Summe (S) gleich einer Konstanten ist.
  5. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser jedes Lochs (42) der Einspritzdüse (40) in Abhängigkeit von der Länge (Li) des Strahls (Ji) bestimmt wird.
  6. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Mittel aufweist, um auf der Ansaugseite eine geordnete Wirbelbewegung vom Typ "Swirl" zu erzeugen.
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