DE60220429T2

DE60220429T2 - Verbrennungsmotor mit fremdzündung und direkter kraftstoffeinspritzung, umfassend ein system zur direkteinspritzung unter sehr hohem druck

Info

Publication number: DE60220429T2
Application number: DE60220429T
Authority: DE
Inventors: Eric Bourguignon; Pascal Sulkowski
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2022-08-03
Also published as: US6907856B2; EP1434932A1; ES2287331T3; US20040250791A1; JP2005509779A; ATE363589T1; DE60220429D1; FR2830570A1; EP1434932B1; WO2003042519A1; FR2830570B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Einspritztechniken für Kraftstoffmotoren mit Direkteinspritzung.
Genauer betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und direkter Kraftstoffeinspritzung, wobei dieser Motor mindestens einen in einer Achse ausgerichteten Zylinder, einen den Zylinder fest verschließenden Zylinderkopf, einen im Zylinder entlang der Achse des Zylinders dicht gleitend montierten Kolben, eine im Zylinder zwischen einer unteren Fläche des Zylinderkopfs und einer oberen Fläche des Kolbens definierte Brennkammer, eine mit dem Zylinderkopf verbundene und in die Brennkammer mündende Kraftstoffeinspritzung, eine mit dem Zylinderkopf verbundene und mit Elektroden ausgestattete Zündkerze, die selektiv einen Funken in der Brennkammer produziert, beweglich im Zylinderkopf montierte Einlass- und Auslassventile, die an der einen und der anderen Seite einer axialen Mittelebene des Zylinders angeordnet sind und selektiv die Brennkammer verschließen, und eine Einspritzpumpe, die der Einspritzung selektiv einen unter Druck stehenden Kraftstoffstrom bereitstellt, umfasst.
Obwohl diese Definition aus Gründen der Klarheit sehr konkrete und präzise Begriffe wie Einspritzung, Kerze oder Funke verwendet, umfassen diese Begriffe die entsprechenden technischen Äquivalente, wobei die beispielhaft genannten Wörter damit jeweils Synonyme von Einspritzmittel, Zündmittel und Zündpunkt sind.
Derart definierte Motoren sind dem Fachmann gut bekannt.
Die Motoren mit Fremdzündung und direkter Kraftstoffeinspritzung bieten die Möglichkeit einer optimierten Funktion mit sogenannten „mageren" Gemischen, das heißt mit Kraftstoffgemischen, die einen sehr starken Überschuss Luft im Vergleich zu der in den Zylinder eingeführten Kraft stoffmenge enthalten, relativ zu stöchiometrischen Bedingungen.
Diese Motoren haben nicht nur ein großes Potential im Hinblick auf die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, sondern tragen auch zum Umweltschutz bei unter der Maßgabe, dass der Luftüberschuss eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs erlaubt und damit den Ausstoß unverbrannter Fraktionen in die Auspuffgase verhindert.
Das aus der Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder resultierende Kraftstoffgemisch kann ein homogenes Gemisch oder ein geschichtetes Gemisch sein, in welchem das Verhältnis Luft/Kraftstoff nicht im ganzen Zylinder gleichmäßig ist, wobei dieser letzte Fall dazu führt, Kraftstoffgemisch in einem entzündlichen Verhältnis Luft/Kraftstoff in der Nähe des Zündpunkt zu lokalisieren.
Zur Herstellung eines geschichteten Gemischs mit direkter Kraftstoffeinspritzung sind verschiedene Lösungen bekannt.
Eine erste Lösung besteht darin, eine Schichtung durch Wandeffekt herzustellen, indem der eingespritzte Strahl gegen eine Wand gelenkt wird, zum Beispiel in Richtung der oberen Fläche des Kolbens, um ihn dann in Richtung Kerze abzulenken. Diese Lösung kann den Nachteil aufweisen, dass sie zu einer Ausbildung eines flüssigen Kraftstofffilms an den Wänden führt, der bei der Verbrennung Ruße produziert. Im übrigen erlaubt diese Lösung keine optimale Schichtung, da der Aufprall des Strahls auf die Wand zu einer übermäßig starken Diffusion führt.
Eine zweite Lösung besteht darin, eine Schichtung durch Aerodynamik herzustellen, indem man der Luft eine genau definierte Bewegung verleiht, so dass der von der Einspritzung projizierte Kraftstoff in Richtung der Kerze gelenkt wird. Allerdings schwankt die Lokalisierung des Kraftstoffs um die Kerze aufgrund des ungeordneten und turbulenten Charakters des Luftstroms von einem Zyklus zum anderen erheblich, was der Stabilität des Motors abträglich ist und bewirkt, dass er nur schwer kontrollierbar ist.
Die dritte Lösung besteht darin, die Einspritzung und die Kerze derart zu positionieren, dass der Kraftstoffstrahl direkt von der Einspritzung in Richtung der Kerze projiziert wird. Dieses Verfahren ist an sich sehr leistungsfähig, kann aber gegenüber Unsicherheiten, die die Positionierung und Merkmale des Kraftstoffstrahls betreffen, sensibel sein. Die Herstellung des geschichteten Gemischs resultiert aus der Einspritzung des Kraftstoffs kurz vor dem Auslösen der Verbrennung. Unter diesen Bedingungen ist entgegen der zwei vorgenannten Lösungen die für die Einspritzung, die Verdüsung, die Zerstäubung des Kraftstoffs und die Vorbereitung des Gemischs vor dem Auslösen der Verbrennung zur Verfügung stehende Zeit sehr oft unzureichend. Der bei der Verbrennung vorhandene und schwer entzündliche flüssige Kraftstoff führt demzufolge zu einer Verschmutzung der Kerze.
Eine andere Technik besteht darin, die Kraftstoffeinspritzung durch eine hilfsweise Lufteinspritzung zu unterstützen. Auch wenn dieses Verfahren zu einer relativ feinen Pulverisierung des Kraftstoffs führt, benötigt es im Gegenzug dazu ein zusätzliches System zur Luftkomprimierung.
Eine andere bekannte Einspritztechnik, die im Patent US 5 992 353 beschrieben ist, besteht darin, Kraftstoff dampfförmig einzuspritzen und in Mischung mit dem Dampf heißes Wasser unter einem Druck von mindestens gleich 350 bar. Diese Lösung ist konkret für Kraftfahrzeuge unanwendbar, da es den Einbau eines hilfsweisen Wassertanks und eines Wärmetauschers voraussetzt, der die Auspuffgase verwendet, um den Kraftstoff zu zerstäuben und den Heißdampf herzustellen.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Motor vorzuschlagen, der, obwohl relativ einfach strukturiert, mit einer sehr geringen Rußproduktion funktioniert, mit einer schnelleren und reproduzierbaren Kraftstoffverbrennung, und ohne Verschmutzung der Öffnungen der Einspritzung.
Zu diesem Zweck ist der erfindungsgemäße Motor, der im übrigen dem Oberbegriff der obigen Einleitung entspricht, im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des der Einspritzung bereitgestellten Kraftstoffstroms 300 bar übersteigt und vorzugsweise mindestens gleich ca. 500 bar beträgt.
Dank dieses Einspritzdrucks kann aufgrund der Erhöhung des statischen Durchsatzes die Dauer der Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennkammer reduziert werden. Außerdem kann die damit gewonnene Zeit zur physikalischen Durchführung der Verdüsung, der Verdampfung und des Gemischs des Kraftstoffs mit Luft verwendet werden.
Der unter diesem hohen Druck eingespritzte Kraftstoff unterliegt einer ersten Verdüsung, bei welcher der Stahl in große Tropfen aufgeteilt wird, und danach einer zweiten Verdüsung, bei welcher diese großen Tropfen in feinere Tropfen aufgespalten werden. Die so genannte „Break up"-Länge (d. h. der Fraktionierung), die die Länge des Strahls charakterisiert, die zur Durchführung des Primärstrahls notwendig ist, wird durch Erhöhung der Geschwindigkeit des Austritts des Kraftstoffs aus der Einspritzung reduziert, die mit dem Einspritzdruck steigt.
Es hat sich gezeigt, dass die Fraktionierungslänge bei Drücken über 300 bar vernachlässigt werden kann. Der Kraftstoff tritt dann direkt aus der Einspritzung als Tröpfchennebel aus, dessen zweite Verdüsung feiner ist. Der Strahl ist breiter, was eine Vermischung mit der in der Brennkammer enthaltenen Luft und die Zerstäubung des Kraftstoffs begünstigt. Die feinere Verdüsung des Kraftstoffs erlaubt eine schnellere Zerstäubung und die Herstellung eines vollständig verflüchtigten und im Augenblick des Auslösens der Verbrennung gemischten Luft/Kraftstoff-Gemischs. Das hergestellte Gemisch ist homogener, verbrennt schneller und produziert weniger Ruß. Die Menge flüssigen Kraftstoffs, die die Kerze erreicht, ist geringer, wodurch die Verschmutzung der Kerze verringert wird. Die Erhöhung der Geschwindigkeit der Verbrennung erlaubt, die Verbrennung näher am oberen Totpunkt des Kolbens im Zylinder auszulösen und führt zu einer Erhöhung der Leistung des Zyklus. Die Reduzierung von Schadstoffen und Rußen erlaubt eine spürbare Erhöhung der Verbrennungsleistung.
Außerdem erlaubt der Zeitgewinn bei der Durchführung der jeweiligen Phasen Einspritzung, Verdüsung und Zerstäubung eine spätere Einspritzung während der Verdichtungsphase, also unter Bedingungen höheren Drucks, was sich günstig auf eine Reduzierung der Durchdringung des Strahls auswirken, und bei einer höheren Temperatur, was sich günstig auf die Zerstäubung auswirkt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann in die obere Fläche des Kolbens eine Aussparung eingearbeitet sein, um ein Einschließen des in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffs zu gewährleisten.
Die untere Fläche des Zylinderkopfs kann ihrerseits als Dach ausgebildet sein und in der axialen Mittelebene des Zylinders einen Grat aufweisen.
Die Einspritzung ist vorzugsweise näher an der Achse des Zylinders als die Kerze und zum Beispiel auf der Achse des Zylinders selbst angeordnet.
Die Einspritzung und die Kerze sind in vorteilhafter Weise durch einen Abstand getrennt, der mindestens gleich 5 Millimeter und höchstens gleich 30 Millimeter beträgt.
Die Einspritzung kann den Kraftstoff in die Brennkammer etwa in Form eines Einspritzkegels einspritzen, der am Scheitel einen Winkel von mindestens gleich 40 Grad und höchstens gleich 100 Grad aufweist, wobei dieser Kegel entweder aus einem einzigen Strahl, wie einem hohlen und kontinuierlichen Strahl, oder aus mehreren verschiedenen Strahlen und zum Beispiel aus zwei bis 12 Strahlen gebildet werden kann.
Die Einspritzung und der von der Kerze erzeugte Funke können durch einen Abstand von mindestens gleich 10 Millimeter und höchstens gleich 30 Millimeter getrennt sein, wobei der Einspritzkegel und die Funken der Kerze zum Bei spiel durch einen Abstand von mindestens gleich 1 Millimeter und höchstens gleich 10 Millimeter getrennt sind.
Der erfindungsgemäße Motor umfasst vorzugsweise zwei Einlassventile an einer ersten Seite der axialen Mittelebene des Zylinders und zwei Auslassventile an einer zweiten Seite der axialen Mittelebene des Zylinders, wobei die Kerze zwischen den zwei Einlassventilen angeordnet sein kann, oder zwischen einem Einlassventil und einem Auslassventil.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlich aus der folgenden Beschreibung, die hinweisend und keinesfalls beschränkend ist und sich auf die Zeichnungen in der Anlage bezieht, von denen:
die 1 eine schematische Teilschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Motors ist,
die 2 eine Unteransicht in verkleinertem Maßstab der unteren Fläche des Zylinderkopfs des auf der 1 dargestellten Motors ist, und
die 3 eine Ansicht ist, die der 2 ähnelt und eine Ausführungsvariante darstellt.
Wie zuvor angekündigt, betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und direkter Kraftstoffeinspritzung.
Dieser Motor umfasst auf nicht beschränkende und an sich bekannte Weise (1) einen Zylinder 1, einen Zylinderkopf 2, einen Kolben 3, eine Brennkammer 4, eine Kraftstoffeinspitzung 5, eine Zündkerze 6, ein oder vorzugsweise zwei Einlassventile 71, ein oder vorzugsweise zwei Auslassventile 72 und eine Einspritzpumpe 8.
Der Zylinder ist gemäß seiner Längsachse Z ausgerichtet und an einem seiner Enden von dem Zylinderkopf 2 verschlossen, der am Zylinder 1 befestigt ist.
Der Kolben ist im Zylinder 1 entlang der Achse Z dicht gleitend montiert und verschließt das andere Ende dieses Zylinders.
Die Brennkammer 4 ist damit im Zylinder 1 zwischen der unteren Fläche 20 des Zylinderkopfs 2 und der oberen Fläche 30 des Kolbens 3 definiert.
Die Kraftstoffeinspritzung 5 ist mit dem Zylinderkopf 2 verbunden und mündet in die Brennkammer 4.
Die Zündkerze 6 ist mit dem Zylinderkopf 2 verbunden und mit Elektroden 60 ausgestattet, die in der Brennkammer 4 einen Funken erzeugen, wenn sich der Kolben 3 in der Nähe seines oberen Totpunkts befindet.
Die Einlassventile 71 und Auslassventile 72 sind im Zylinderkopf 2 beweglich befestigt und an der einen und der anderen Seite einer axialen Mittelebene P des Zylinders 1 angeordnet, so dass sie eine Einlassseite und eine Auslassseite definieren.
Die zwei Einlassventile 71 werden von einer Nockenwelle bewegt oder direkt gesteuert, so dass die Brennkammer 4 zu einem ausgewählten Moment vor der Verdichtung mit den Einlassleitungen 710 in Kommunikation versetzt wird.
Analog werden die zwei Auslassventile 72 von einer Nockenwelle bewegt oder direkt gesteuert, so dass die Brennkammer 4 zu einem ausgewählten Moment nach der Verbrennung mit den Auslassleitungen 720 in Kommunikation versetzt wird.
Schließlich liefert die Einspritzpumpe 8 der Einspritzung 5 zu einem ausgewählten Moment während der Verdichtung einen Kraftstoffstrom unter Druck.
Einem wesentlichen Aspekt der Erfindung zufolge übersteigt der Druck des der Einspritzung 5 von der Pumpe 8 bereitgestellten Kraftstoffstroms 300 bar und erreicht vorzugsweise oder überschreitet 500 bar.
Andere Merkmale können vorgesehen werden, um die Wirkungen, die durch den von der Erfindung empfohlenen erhöhten Einspritzdruck erzielt werden, zu optimieren, die, auch wenn diese weniger wichtig sind, nachfolgend aufgezählt werden.
Zunächst kann eine konkave Aussparung in die obere Fläche 30 des Kolbens 3 eingearbeitet sein, um ein Ein schließen des in die Brennkammer 4 eingespritzten Kraftstoffs zu gewährleisten.
Andererseits kann die untere Fläche 20 des Zylinderkopfs 2 als Dach ausgebildet sein und in der axialen Mittelebene P des Zylinders 1 einen Grat 21 aufweisen.
Wie die 2 und 3 zeigen, trennt damit der Grat 21 den Zylinderkopf in einen Abschnitt, der für den Einlass bestimmt ist (rechts auf den Figuren) und in dem die zwei Einlassventile 71 vorgesehen sind, und einen Abschnitt, der für den Auslass bestimmt ist (links auf den Figuren) und in dem die zwei Auslassventile 72 vorgesehen sind.
Damit kann die Kerze 6 zwischen den zwei Einlassventilen 71 (1 und 2) oder zwischen einem Einlassventil 71 und einem Auslassventil 72 (3) angeordnet sein.
Die Einspritzung 5 ist näher an der Achse Z des Zylinders als die Kerze 6 angeordnet, und vorzugsweise auf der Achse Z selbst.
Die Einspritzung 5 und die Kerze 6 sind durch einen Abstand getrennt, der vorzugsweise zwischen 5 Millimeter und 30 Millimeter inklusive beträgt, wobei der Abstand zwischen der Einspritzung 5 und dem von der Kerze 6 produzierten Funken dann typischerweise zwischen 10 Millimeter und 30 Millimeter inklusive beträgt.
Die Einspritzung 5 spritzt vorzugsweise Kraftstoff in die Brennkammer 4 in Form einer Mehrzahl verschiedener Stahlen ein, zwei bis zwölf Strahlen umfassend.
Diese Strahlen bilden einen Einspritzkegel 9 (1), der am Scheitel A zum Beispiel einen Winkel zwischen 40 Grad und 100 Grad inklusive aufweist.
Schließlich sind der Einspritzkegel 9 und die von den Elektroden 60 der Kerze gebildeten Funken durch einen Abstand getrennt, der vorzugsweise zwischen 1 Millimeter und 10 Millimeter inklusive beträgt.

Claims

Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und direkter Kraftstoffeinspritzung, wobei dieser Motor mindestens einen in einer Achse (Z) ausgerichteten Zylinder (1), einen den Zylinder (1) fest verschließenden Zylinderkopf (2), einen im Zylinder entlang der Achse (Z) des Zylinders dicht gleitend montierten Kolben (3), eine im Zylinder (1) zwischen einer unteren Fläche (20) des Zylinderkopfs (2) und einer oberen Fläche (30) des Kolbens (3) definierte Brennkammer (4), eine mit dem Zylinderkopf (2) verbundene und in die Brennkammer (4) mündende Kraftstoffeinspritzung (5), eine mit dem Zylinderkopf (2) verbundene und mit Elektroden (60) ausgestattete Zündkerze (6), die selektiv einen Funken in der Brennkammer (4) produziert, beweglich im Zylinderkopf montierte Einlass- (71) und Auslassventile (72), die an der einen und der anderen Seite einer axialen Mittelebene (P) des Zylinders (1) angeordnet sind und selektiv die Brennkammer (4) verschließen, und eine Einspritzpumpe (8), die der Einspritzung (5) selektiv einen unter Druck stehenden Kraftstoffstrom bereitstellt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des der Einspritzung (5) bereitgestellten Kraftstoffstroms 300 bar übersteigt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des der Einspritzung (5) bereitgestellten Kraftstoffstroms mindestens gleich 500 bar beträgt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die obere Fläche (30) des Kolbens (3) eine Aussparung (300) eingearbeitet ist, um ein Einschließen des in die Brennkammer (4) eingespritzten Kraftstoffs zu gewährleisten.
Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Fläche (20) des Zylinderkopfs (2) als Dach ausgebildet ist und in der axialen Mittelebene (P) des Zylinders (1) einen Grat (21) aufweist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung (5) näher an der Achse (Z) des Zylinders ist als die Kerze (6).
Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung (5) auf der Achse (Z) des Zylinders angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung (5) und die Kerze (6) durch einen Abstand getrennt sind, der mindestens gleich 5 Millimeter und höchstens gleich 30 Millimeter beträgt.
Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung (5) den Kraftstoff in die Brennkammer (4) etwa in Form eines Einspritzkegels (9) einspritzt, der am Scheitel (A) einen Winkel von mindestens gleich 40 Grad und höchstens gleich 100 Grad aufweist.
Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung (5) den Kraftstoff in die Brennkammer (4) in Form einer Mehrzahl verschiedener Strahlen einspritzt, von zwei bis zwölf Strahlen umfassend.
Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung (5) und der von der Kerze (6) erzeugte Funke durch einen Ab stand von mindestens gleich 10 Millimeter und höchstens gleich 30 Millimeter getrennt sind.
Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche in Kombination mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzkegel (9) und die Funken der Kerze durch einen Abstand von mindestens 1 Millimeter und höchstens 10 Millimeter getrennt sind.
Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Einlassventile (71) an einer ersten Seite der axialen Mittelebene (P) des Zylinders und zwei Auslassventile (72) an einer zweiten Seite der axialen Mittelebene (P) des Zylinders umfasst, und dadurch, dass die Kerze (6) zwischen den zwei Einlassventilen (71) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei Einlassventile (71) an einer ersten Seite der axialen Mittelebene (P) des Zylinders und zwei Auslassventile (72) an einer zweiten Seite der axialen Mittelebene (P) des Zylinders umfasst, und dadurch, dass die Kerze (6) zwischen einem Einlassventil (71) und einem Auslassventil (72) angeordnet ist.