DE60225072T2

DE60225072T2 - Kraftstoffeinspritzventil für dieselmotor

Info

Publication number: DE60225072T2
Application number: DE60225072T
Authority: DE
Inventors: Keiichi Osaka-shi TSUJIMOTO; Shunji Osaka-shi HAMAOKA; Shusuke Osaka-shi OKADA
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: US20050120995A1; KR20040071328A; CN1615399A; DK1469193T3; EP1469193B1; DE60225072D1; EP1469193A4; KR100871266B1; JP2003214297A; WO2003062631A1; EP1469193A1

Description

Sachgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil eines Dieselmotors, die dem eine Brennkammer in Form einer flachen Vertiefung durch eine Oberseite eines Kolbens gebildet ist.
Hintergrund der Erfindung
Bei einem herkömmlichen Dieselmotor, bei dem eine Brennkammer in Form einer flachen Vertiefung durch eine Oberseite eines Kolbens gebildet ist, wird allgemein ein Verfahren zur Vergrößerung des Durchmessers eines Düsenlochs zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer angewendet, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Durch die Vergrößerung des Düsenlochs wird die Zerstäubung des Kraftstoffstrahls verschlechtert und die Farbe des Abgases wird beeinträchtigt.
Als Gegenmaßnahme ist es möglich, den Durchmesser des Düsenlochs zu verringern und die Anzahl der Düsenlöcher zu erhöhen. Bei diesem Aufbau wird jedoch der Abstand zwischen den Düsenlöchern geringer und die Kraftstoffstrahlen neigen dazu, einander zu kreuzen (zu überlappen). Infolgedessen ist die Menge der einzuleitenden Luft gering. Wenn der Druck der Luftzufuhr erhöht wird, um die geringe Luftmenge auszugleichen, steigt der Gasdruck in dem Zylinder. Infolgedessen steigt die Menge des darin erzeugten NOx. Wenn der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung verzögert wird, um das Ansteigen des NOx zu verhindern, ergibt sich daraus eine Beeinträchtigung der Farbe des Abgases.
Das Dokument WO 00/20735 beschreibt ein Verbrennungssystem für Dieselmotoren mit Direkteinspritzung. Das Verbrennungssystem weist eine Brennkammer in Form einer tiefen Vertiefung und eine Kraftstoffeinspritzdüse mit einer oberen und einer unteren Reihe von Düsenlöchern auf. Das Verhältnis der Gesamtfläche sämtlicher Düsenlöcher der unteren Reihe zu derjenigen sämtlicher Düsenlöcher der oberen und der unteren Reihe beträgt 0,25–0,35.
Offenbarung der Erfindung
(Durch die Erfindung zu lösende technische Aufgabe)
Die von der vorliegenden Erfindung zu lösende technische Aufgabe ist es, ein Kraftstoffeinspritzventil für einen Dieselmotor zu schaffen, bei dem eine Brennkammer in Form einer flachen Vertiefung durch die Oberseite eines Kolbens gebildet ist, bei dem der Anstieg an darin erzeugtem NOx begrenzt ist, und bei dem der Kraftstoffverbrauch verbessert ist, ohne die Farbe des Abgases zu verschlechtern.
(Mittel zur Lösung der technischen Aufgabe)
Zur Lösung der technischen Aufgabe ist ein Verbrennungssystem für einen Dieselmotor vorgesehen, wobei das Verbrennungssystem eine Brennkammer in Form einer flachen Vertiefung auf der Oberseite eines Kolbens aufweist, mit: einem in Richtung der Brennkammer ragenden Spitzenteil, das mit mehreren ersten Düsenlöchern versehen ist, welche entlang des selben Umfangs und in der Nähe einer unteren Spitze angeordnet sind; und mehreren zweiten Düsenlöchern in einer kreisförmigen Seitenwand, die an einem zu den ersten Düsenlöchern entgegengesetzten Ende des Spitzenteils des Kraftstoffeinspritzventils vorgesehen ist, wobei jedes der zweiten Düsenlöcher einen Durchmesser hat, der kleiner als der Durchmesser jedes der ersten Düsenlöcher ist, wobei die ersten Düsenlöcher und die zweiten Düsenlöcher derart versetzt angeordnet sind, dass aus den ersten Düsenlöchern gespritzte Kraftstoffstrahlen und aus den zweiten Düsenlöchern gespritzte Kraftstoffstrahlen einander in der Brennkammer nicht kreuzen.
Gemäß der in Anspruch 2 definierten Erfindung ist es bei der Erfindung gemäß Anspruch 1 möglich, durch einen oberen Freiraum auf das Ausbilden von Ventilausnehmungen zu verzichten, und der Bohrungsdurchmesser der Brennkammer an der Oberseite des Kolbens ist derart gewählt, dass die aus den zweiten Düsenlöchern gespritzten Kraftstoffstrahlen auf einen Öffnungsbereich der Brennkammer auf der Oberseite des Kolbens treffen, wenn sich der Kolben nahe dem oberen Totpunkt befindet.
Nach der in Anspruch 3 definierten Erfindung ist bei der Erfindung gemäß Anspruch 1 und 2 die Anzahl der ersten Düsenlöcher größer als die Anzahl der zweiten Düsenlöcher.
Gemäß der in Anspruch 4 definierten Erfindung ist bei der Erfindung nach Anspruch 1 der Kraftstoffventildüsenlochwinkel jedes der zweiten Düsenlöcher derart gewählt, dass die aus den zweiten Düsenlöchern gespritzten Kraftstoffstrahlen nach dem Auftreffen auf den Kolben in einem Bereich des oberen Spiels zerstäubt werden.
Gemäß der in Anspruch 5 definierten Erfindung ist bei der Erfindung nach Anspruch 1 der Düsenlochwinkel jedes der ersten Düsenlöcher derart gewählt, dass die aus den ersten Düsenlöchern gespritzten Kraftstoffstrahlen auf die Bodenfläche der Brennkammer treffen, und derart, dass die aus diesen gespritzten Kraftstoffstrahlen nicht an der Bodenfläche derselben haften.
Nach der in Anspruch 6 definierten Erfindung sind bei der Erfindung nach Anspruch 1 die ersten Düsenlöcher gleichmäßig beabstandet auf dem gleichen Umfang des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet, und die zweiten Düsenlöcher sind gleichmäßig beabstandet auf dem gleichen Umfang des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet.
Gemäß der in Anspruch 7 definierten Erfindung sind bei der Erfindung nach Anspruch 1 die ersten Düsenlöcher und die zweiten Düsenlöcher derart vorge sehen, dass ein Schnittpunkt, an welchem eine Mittelachse des Kraftstoffeinspritzventils und die Mittellinie eines aus jedem der ersten Düsenlöcher gespritzten Kraftstoffstrahls einander schneiden, nicht mit einem Schnittpunkt zusammenfällt, an dem eine Mittelachse des Kraftstoffeinspritzventils und die Mittellinie eines aus jedem der zweiten Düsenlöcher gespritzten Kraftstoffstrahls einander schneiden, um zu verhindern, dass sich die aus den ersten Düsenlöchern gespritzten Kraftstoffstrahlen und die aus den zweiten Düsenlöchern gespritzten Kraftstoffstrahlen kreuzen.
(Gegenüber dem Stand der Technik vorteilhafterer Effekt)
Gemäß der in Anspruch 1 definierten Erfindung ist bei einem Dieselmotor mit einer Brennkammer in Form einer flachen Vertiefung auf der Oberseite eines Kolbens 14 das Kraftstoffeinspritzventil 1 mit einem unteren Düsenloch 2 (einem ersten Düsenloch) und einem oberen Düsenloch 3 (einem zweiten Düsenloch) versehen, wobei der Durchmesser des oberen Düsenlochs 3 kleiner gewählt ist, als derjenige des unteren Düsenlochs 2, und die unteren Düsenlöcher 2 und die oberen Düsenlöcher 3 sind in versetzter Form angeordnet. Daher kreuzen (oder überlappen) sich der/die aus dem unteren Düsenloch 2 eingespritzte/-n Kraftstoffstrahl/-en 13 nicht mit dem/den aus dem oberen Düsenloch 3 eingespritzten Kraftstoffstrahl/-en. Infolgedessen ist es möglich, ein Luft/Kraftstoff-Gasgemisch mit einer gleichmäßigen Dichte in der Brennkammer 16 zu bilden. Dadurch erfolgt eine gleichmäßige Verbrennung in derselben, und der Kraftstoffverbrauch wird verringert, während der Ausstoß an NO_x reduziert wird.
Gemäß der in Anspruch 2 definierten Erfindung ist ein Freiraum (d. h. ein Spalt "X") gewährleistet. Hierdurch kann ein oberer Raum in der Brennkammer 16 wirksam genutzt werden, und daher wird der Kraftstoffverbrauch gesenkt, während die Farbe des Abgases in einem guten Zustand erhalten bleibt. Da der obere Freiraum (d. h. der Spalt "X") vorab gewährleistet ist, wird eine Erhöhung der thermischen Belastung des Kolbens 29 verhindert.
Wenn das Verdichtungsverhältnis erhöht wird, um die thermische Effizienz steigern, wird der obere Freiraum kleiner. Infolgedessen besteht die Möglichkeit, dass das geöffnete Abgasventil und der Kolben zusammenstoßen können. Nach der in Anspruch 2 definierten Erfindung ist jedoch ein ausreichender oberer Freiraum (d. h. Spalt "X") gewährleistet, um eine Ventilausnehmung unnötig zu machen. Daher kann das geöffnete Ventil 26 (sowie das Lufteinlassventil 25 zum Überlappungszeitpunkt) ein Zusammenstoßen mit dem Kolben 29 vermeiden, während der Kraftstoffverbrauch gesenkt und die Abgasfarbe in einem guten Zustand gehalten wird.
Gemäß der in Anspruch 3 definierten Erfindung ist die Anzahl der unteren Düsenlöcher 2 (21) (d. h. der ersten Düsenlöcher) größer als die Anzahl der oberen Düsenlöcher 3 (22) (d. h. der zweiten Düsenlöcher). Daher kreuzen (oder überlappen) sich der/die aus dem unteren Düsenloch 2 (21) eingespritzte/-n Kraftstoffstrahl/-en 13 nicht mit dem/den aus dem oberen Düsenloch 3 (22) eingespritzten Kraftstoffstrahl/-en, und die unteren Strahlen treffen auf die Seitenwand der Brennkammer auf und werden zerstäubt, ohne an dieser zu haften (oder hängen zu bleiben). Auf diese Weise kann der Kraftstoff gleichmäßig mit Luft gemischt werden, der Kraftstoff kann gleichmäßig darin verbrannt werden, und die Abgasfarbe wird in einem guten Zustand gehalten.
Gemäß der in Anspruch 4 definierten Erfindung werden die bei hoher Temperatur aus den oberen Düsenlöchern 22 eingespritzten Kraftstoffstrahlen 28 nach dem Auftreffen der Kraftstoffstrahlen auf den Kolben 29 in den oberen Freiraumbereich hinein zerstäubt. Hierdurch wird die thermische Belastung des Zylinderkopfs 33 und der Zylinderbuchse 31 verringert, wodurch deren Zuverlässigkeit verbessert wird.
Nach der in Anspruch 5 definierten Erfindung ist der Kraftstoffventildüsenlochwinkel r₅ jedes der unteren Düsenlöcher 21 derart eingestellt, dass die Kraftstoffstrahlen 27, welche aus den unteren Düsenlöchern 21 gespritzt werden, auf die Bodenfläche der Brennkammer 16 treffen, so dass die von dort eingespritzten Kraftstoffstrahlen 27 nicht an der Bodenfläche haften und dass der Kraftstoffstrahl 27 gleichmäßig in der Brennkammer verteilt werden kann. Auf diese Weise wird die Farbe des Abgases insbesondere bei einem lastfreien Betrieb in bezug auf sämtliche Betriebsbereiche in einem guten Zustand gehalten.
Gemäß der in Anspruch 6 definierten Erfindung sind die oberen Düsenlöcher 2 und die unteren Düsenlöcher 3 jeweils in regelmäßigen Abständen (oder gleichmäßigen Abständen) am Umfang des Kraftstoffeinspritzventils 1 angeordnet. Hierdurch wird ein Überlappen (oder Kreuzen) der Kraftstoffstrahlen vermieden, wodurch eine Verschlechterung der Abgasfarbe verhindert wird.
Gemäß der in Anspruch 7 definierten Erfindung ist das Kraftstoffeinspritzventil 1 derart mit den unteren Düsenlöchern 2 und den oberen Düsenlöchern 3 versehen, dass der Schnittpunkt, an dem sich die Mittelachse 11 des Kraftstoffeinspritzventils 1 und die Mittellinie 5 eines aus jedem der unteren Düsenlöcher 2 gespritzten Kraftstoffstrahlen 13 schneiden, nicht mit einem Schnittpunkt zusammenfällt, an dem sich die Mittelachse 11 des Kraftstoffeinspritzventils 1 und die Mittellinie 4 eines aus jedem der oberen Düsenlöcher 3 gespritzten Kraftstoffstrahls 12 schneiden. Auf diese Weise kreuzen (oder überlappen sich der Kraftstoffstrahl 12 und der Kraftstoffstrahl 13 nicht, und die Farbe des Abgases wird in einem guten Zustand gehalten. Es ist ferner einfach einen Abstand (oder Spalt) zwischen dem unteren Düsenloch 2 und dem oberen Düsenloch 3 zu bewahren und es ist möglich, eine jeweilige Wanddicke zwischen diesen zu bewahren. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit der Wirkung des Kraftstoffeinspritzventils 1 erreicht werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematischer Querschnitt eines Kraftstoffeinspritzventils eines Dieselmotors, in welchem die in Anspruch 1 definierte Erfindung ausgeführt ist.
2 ist eine vertikal geschnittene Vorderansicht eines Zustands, in dem ein Ventilkörper des Kraftstoffeinspritzventils des Dieselmotors von 1 einen Ventilsitz berührt.
3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung des Kraftstoffeinspritzventils des Dieselmotors, in dem die in Anspruch 2 definierte Erfindung ausgebildet ist.
4 ist eine vergrößerte Darstellung des Kraftstoffeinspritzventils.
5 ist eine schematische Unteransicht des Kraftstoffeinspritzventils.
6 zeigt eine Kurve zur Darstellung der Beziehung zwischen der Kraftstoffverbrauchsrate und der NO_x-Emissionsmenge in einem erfindungsgemäßen und einem herkömmlichen Dieselmotor.
7 zeigt eine Kurve zur Darstellung der Beziehung zwischen dem Kraftstoffventildüsenlochwinkel eines unteren Düsenlochs und der Farbe des Abgases.
8 zeigt eine Kurve zur Darstellung der Beziehung zwischen der Summe der Flächen der unteren Düsenlöcher in bezug auf die Gesamtfläche der Düsenlöcher und der Farbe des Abgases, und der Beziehung zwischen der Summe derselben und dem Kraftstoffverbrauch.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
1 ist eine vertikal geschnittene Vorderansicht eines Kraftstoffeinspritzventils 1 eines Dieselmotors, in welchem die in Anspruch 1 definierte Erfindung ausgeführt ist, und 4 ist eine vergrößerte Darstellung des Kraftstoffeinspritzventils 1. Wie in 1 dargestellt, ist das Kraftstoffeinspritzventil 1 an einem Zylinderkopf 17 angebracht, wobei das Kraftstoffventil 1 ein in eine Brennkammer 16 ragendes Spitzenteil aufweist, wobei das Spitzenteil mehrere untere Düsenlöcher 2 (d. h. erste Düsenlöcher) und mehrere obere Düsenlöcher 3 (d. h. zweite Düsenlöcher) aufweist.
In einem Hohlraum des Kraftstoffeinspritzventils 1 ist ein Ventilkörper 6 vorgesehen. Der Ventilkörper 6 ist durch einen nicht dargestellten Antrieb, beispielsweise einen den Kraftstoffdruck nutzenden Hebemechanismus, ein Elektromagnetventil etc., reziprozierend in dem Hohlraum auf und ab bewegbar. Wie in 4 dargestellt, wird ferner Kraftstoff unter Druck in den Hohlraum des Kraftstoffeinspritzventils 1 geliefert. Wenn sich der Ventilkörper 6 von einem in dem Kraftstoffeinspritzventil 1 gebildeten Ventilsitz 7 weg bewegt, wird der Kraftstoff durch die unteren Düsenlöcher 2 und die oberen Düsenlöcher 3 in die Brennkammer 16 gespritzt, und wenn der Ventilkörper 6 den Ventilsitz 7 berührt, wird die Kraftstoffeinspritzung unterbrochen. Jede der 1 und 4 zeigt einen Zustand, in dem der Ventilkörper 6 von dem Ventilsitz 7 entfernt ist.
5 ist eine schematische Unteransicht des Kraftstoffeinspritzventils 1. Wie in 5 in bezug auf die unteren Düsenlöcher 2 dargestellt, sind acht untere Düsenlöcher 2 auf einem in der Nähe der unteren Spitze des Kraftstoffeinspritzventils 1 (d. h. nahe der Spitze auf der Seite der Brennkammer 16) gelegenen Kreisumfang unter einem Winkel R₂ (R₂ = 45°) gleichmäßig beabstandet angeordnet.
Ferner sind, bezogen auf die oberen Düsenlöcher 3, vier obere Düsenlöcher 3 gleichmäßig über den unteren Düsenlöchern 2 (d. h. auf der Seite des Zylinderkopfs) unter einem Winkel R₃ (R₃ = 90°) angeordnet. Wie in 5 dargestellt, ist ein oberes Düsenloch 3 in der Mitte zwischen zwei benachbarten unteren Düsenlöchern 2 angeordnet. Ferner ist, wie in 5 dargestellt, der Bohrungsdurchmesser des oberen Düsenlochs 3 kleiner gewählt als derjenige des unteren Düsenlochs 2.
Daneben zeigt 1 (sowie die im Folgenden erläuterte 2) die unteren Düsenlöcher 2 und die oberen Düsenlöcher 3 in dem gleichen Querschnitt.
Dies dient jedoch lediglich der einfacheren Erläuterung der positionsmäßigen Beziehung zwischen den unteren Düsenlöchern 2 und den oberen Düsenlöchern 3.
Wie in 1 dargestellt, ist eine Brennkammer in Form einer flachen Vertiefung (d. h. konkav) durch eine Oberfläche (oder Oberseite) eines Kolbens 14 gebildet, welche der Oberseite des Zylinderkopfs 17 gegenüberliegt. 2 ist eine vertikal geschnittene Vorderansicht des Kraftstoffeinspritzventils 1 des Dieselmotors, welche einen Zustand zeigt, in dem der Ventilkörper 6 des Kraftstoffeinspritzventils 1 den Ventilsitz 7 berührt. Die Brennkammer in Form einer flachen Vertiefung ist als eine Brennkammer (d. h. konkav) ausgebildet, deren Tiefe (H) ungefähr 10% des Durchmessers (D) der Brennkammer 16 beträgt. Insbesondere ist bei der erfindungsgemäßen Brennkammer in Form einer flachen Vertiefung im Mittelbereich der Konkavität eine Erhebung 19 vorgesehen, wie in 2 dargestellt.
Die Höhe (h) der Erhebung 19 ist geringfügig kleiner als die Tiefe (H) der Brennkammer 16. Im Verhältnis zu dem Durchmesser (D) der Brennkammer gilt beispielsweise H/D = 0,11 und h/D = 0,10.
Wie in 4 dargestellt, sind der Schnittpunkt 10 (oder eine Erweiterungsmitte), an dem die Kraftstoffstrahlmittellinie 5 des unteren Düsenlochs 2 und die Mittelachse 11 der Kraftstoffeinspritzdüse 1 einander schneiden, und der Schnittpunkt 9 (oder die Erweiterungsmitte), an dem die Kraftstoffstrahlmittellinie 4 des oberen Düsenlochs 3 und die Mittelachse 11 des Kraftstoffeinspritzventils 1 einander schneiden, um einen Abstand "L" voneinander versetzt angeordnet.
Vorausgesetzt, der Abstand von einem Schnittpunkt 40, an dem die Kraftstoffstrahlmittellinie 5 und eine Oberseite 15 einander schneiden, zu dem Schnittpunkt 10 ist L₁, und vorausgesetzt, dass der Durchmesser des unteren Düsenlochs 2 D₁ ist, so erfüllen L₁ und D₁ die folgende Gleichung (1): L1/D1 = 150–250 (d. h. von 150 bis 250) (1)
Vorausgesetzt, der Abstand eines Schnittpunkts 41, an dem die Kraftstoffstrahlmittellinie 4 und die Oberseite 15 einander schneiden, zu dem Schnittpunkt 9 ist L₂, und vorausgesetzt, der Durchmesser des oberen Düsenlochs 3 ist D₂, so erfüllen L₂ und D₂ die folgende Gleichung (2): L2/D2 = 300–400 (d. h. von 300 bis 400) (2)
Wenn der Kolben 14 sich aufwärts bewegt und der Kompressionshub beginnt, und wenn der Kolben 14 sich nahe seinem OT (oberer Totpunkt) befindet, wie in 1 dargestellt, wird der Ventilkörper 6 von einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung von dem Ventilsitz 7 weg bewegt, Anschließend wird der Kraftstoff 8 (4) als Kraftstoffstrahl 13 aus den unteren Düsenlöchern 2 in die Brennkammer 16 gespritzt, und der Kraftstoff 8 wird als Kraftstoffstrahl 12 aus den oberen Düsenlöchern 3 in die Brennkammer 16 gespritzt.
Der Kraftstoffstrahl 13 wird gleichmäßig über die Oberseite der Erhebung 19 des Kolbens 14 verteilt. Ferner kreuzen (oder überlappen) die Kraftstoffstrahlen 12 und 13 einander in der Brennkammer 16 nicht. Daher wird kein dickerer Kraftstoffbereich in der Brennkammer 16 gebildet und der Kraftstoff verbrennt unter guten Bedingungen.
3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung des Kraftstoffeinspritzventils 20 des Dieselmotors, bei welchem die in Anspruch 2 definierte Erfindung ausgeführt ist. Der in 3 dargestellte Kolben 29 befindet sich am OT, wobei ein oberer Freiraum als Spalt (oder Abstand) "X" eingestellt ist.
Der Zylinderkopf 33 ist mit einem Lufteinlasskanal 34 und einem Abgaskanal 35 versehen. Der Lufteinlasskanal 34 weist ein Lufteinlassventil 25 auf, während der Abgaskanal 35 ein Luftauslassventil 26 aufweist. Wenn das Lufteinlassventil 25 geöffnet ist, wird der Brennkammer 16 durch den Lufteinlasskanal 34 Luft (oder von einem nicht dargestellten Turbolader gelieferte Druck luft) zugeführt. Wenn das Abgasventil 26 geöffnet ist, wird Verbrennungsgas (oder Abgas) in der Brennkammer 36 durch den Abgaskanal 35 ausgegeben. In 3 sind das Lufteinlassventil 25 und das Abgasventil 26 zur Vereinfachung der Erläuterung im gleichen Querschnitt dargestellt. Zwar zeigt 3 einen Zustand, in dem das Abgasventil 26 geöffnet ist und Kraftstoff 8 eingespritzt wird, jedoch dient dies ebenfalls der einfacheren Erläuterung eines noch zu beschreibenden Spalts (oder Abstands) "Y".
Wenn der obere Freiraum "X" nicht vollständig gewährleistet ist, wenn das Abgasventil 26 (wie auch das Lufteinlassventil 25) zum Überlappungszeitpunkt geöffnet ist, besteht die Möglichkeit, dass das Abgasventil 26 mit der Oberseite (oder Oberfläche) des Kolbens 29 zusammenstoßen kann. Um das Zusammenstoßen des Abgasventils 26 und der Oberseite des Kolbens zu vermeiden, wurden herkömmliche Kolben mit einer Ventilausnehmung versehen. Wenn jedoch der Kolben 29 mit der Ventilausnehmung versehen ist, ist die obere Begrenzung einer Ölbohrung 30, die dem Kühlen der Oberseite 32 bei hohen Temperaturen dient, eingeschränkt, und die Wanddicke des nicht die Ventilausnehmung bildenden Teils wird größer. Infolgedessen verschlechtert sich die Fähigkeit des Abkühlens der Oberseite 32 und die thermische Belastung der Oberseite 32 steigt.
Demgegenüber ist bei der in Anspruch 2 definierten Erfindung der Spalt "X" als der obere Freiraum sichergestellt. Der Spalt "Y" ist zwischen dem geöffneten Abgasventil 26 (wie auch dem Lufteinlassventil 25) und der Oberseite des Kolbens 29 gewährleistet, so dass es nicht möglich ist, dass beide zusammenstoßen. Infolgedessen ist es nicht erforderlich, eine Ventilausnehmung vorzusehen. Bei diesem Aufbau kann die Ölbohrung 30 so vorgesehen werden, dass eine bessere Kühlbarkeit der Oberseite 32 erzielt wird, wodurch die thermische Belastung der Oberseite 32 wirksam verringert wird.
Der Aufbau des Kraftstoffeinspritzventils 20 ist nahezu gleich demjenigen des in 1 dargestellten Kraftstoffeinspritzventils 1. Der Kraftstoffstrahl 27 wird aus dem unteren Düsenloch 21 entlang einer Kraftstoffstrahlmittellinie 23 als Mitte eingespritzt, und der Kraftstoffstrahl 28 wird aus dem oberen Düsenloch 22 entlang einer Kraftstoffstrahlmittellinie 24 als Mitte eingespritzt. Der Kraftstoffstrahl 27 wird gleichmäßig über die Oberseite einer Erhebung 39 des Kolbens 29 verteilt.
Die Kraftstoffstrahlen 27 und 28 vermischen sich in der Brennkammer 36 nicht miteinander. Die Kraftstoffstrahlmittellinie 24 ist derart eingestellt, dass sie sich in einem offenen Bereich 18 der Brennkammer in Form einer flachen Vertiefung (d. h. konkaven) befindet, der in der OT-Position auf der Oberseite 32 des Kolbens 29 ausgebildet ist. Der zwischen der Mittellinie 37 des Kraftstoffeinspritzventils 20 und der Kraftstoffstrahlmittellinie 24 gebildete Winkel ist als Kraftstoffventildüsenlochwinkel r₄ definiert, und der zwischen der Mittellinie 37 und der Kraftstoffstrahlmittellinie 23 gebildete Winkel ist als der Kraftstoffventildüsenlochwinkel r₅ definiert.
Der Kraftstoffventildüsenlochwinkel r₄ ist derart gewählt, dass die Kraftstoffstrahlmittellinie 24 innerhalb des offenen Bereichs 18 liegt. Bevor der eine hohe Temperatur aufweisende Kraftstoffstrahl den Kolben 29 erreicht, wird der Kraftstoffstrahl hierdurch daran gehindert, die Unterseite des Zylinderkopfs 33 direkt zu erreichen, oder die Innenwandfläche der Zylinderbuchse 31 direkt zu erreichen. Infolgedessen ist die Temperaturerhöhung des Zylinderkopfs 33 und der Zylinderbuchse 31 begrenzt. Dementsprechend ist die Zuverlässigkeit des Zylinderkopfs 33 und der Zylinderbuchse 31 verbessert und es ist möglich, den Dieselmotor in gutem Zustand zu erhalten. Andererseits wird die Oberseite 32 des Kolbens 29, welche der eine hohe Temperatur aufweisende Kraftstoffstrahl erreicht, in geeigneter Weise durch Öl in der Ölbohrung 30 gekühlt.
Ferner ist der Kraftstoffventildüsenlochwinkel r₅ derart eingestellt, dass der aus dem unteren Düsenloch 21 gespritzte Kraftstoffstrahl 27 gleichmäßig über die Bodenfläche der Brennkammer 36 (d. h. über die Bodenfläche des Kolbens 29, welche die Brennkammer in Form einer flachen Vertiefung bildet) verteilt wird, und derart dass die Kraftstoffstrahlen 27 und 28 einander nicht kreuzen.
Der Kraftstoffventildüsenlochwinkel r₅ variiert hinsichtlich der Tiefe "H" der Brennkammer und des oberen Freiraums. Wenn jedoch der Kraftstoffventildüsenlochwinkel r₅ derart eingestellt ist, dass der Durchmesser D₂ des Düsenlochs und der Abstand L₂ die vorgenannte Gleichung (2) erfüllen, ist es möglich, das Auftreffen des Kraftstoffstrahls 27 auf der Bodenfläche der Brennkammer 36 und das Haften (oder Kleben) an dieser zu verhindern. Durch den Winkel r₅ ist es ferner möglich, den Kraftstoffstrahl 27 gleichmäßig zu verteilen, indem er auf die Bodenfläche der Brennkammer 36 trifft.
Durch das Erfüllen der genannten Gleichungen (1) und (2) und durch Einstellen des Kraftstoffventildüsenlochwinkels r₅ des unteren Düsenlochs 21 auf 60° oder weniger, wird die Farbe des Abgases in einem guten Zustand gehalten, wie in 7 dargestellt. Die Einstellungen des unteren Düsenlochs 21 (2) und des oberen Düsenlochs 22 (3) können als Beispiel wie folgt dargestellt werden. Wenn der Bohrungsdurchmesser des unteren Düsenlochs 21 auf 0,25–040 mm und der Kraftstoffdüsenlochwinkel r₅ auf 60–70° eingestellt ist, kann der Bohrungsdurchmesser des oberen Düsenlochs 22 0,10–0,25 mm betragen, und der Kraftstoffventildüsenlochwinkel r₄ kann ungefähr 75–85° betragen, wobei das Verhältnis der Anzahl von oberen Düsenlöchern zu der Anzahl der unteren Düsenlöcher gleich 1:2 ist.
Falls die Ventilausnehmung vorgesehen ist, ist es nahezu unmöglich, die Dicke des oberen Umfangsteils des Kolbens 29 gleichmäßig auszubilden, wodurch es schwierig ist, diesen Teil desselben gleichmäßig zu kühlen. Im Gegensatz zu einem Fall, in dem die Ventilausnehmung nicht vorgesehen ist, tritt der Nachteil der thermischen Belastung leicht auf und die Festigkeit des Kolbens wird aufgrund der hohen Temperatur verringert. Wenn der obere Freiraum (d. h. der Spalt "X") von Anfang an gewährleistet ist, besteht keine Erfordernis, eine Ventilausnehmung vorzusehen. Daher tritt der Nachteil der thermischen Beanspruchung des Kolbens 29 nicht auf und es ist daher möglich, einen Kolben 29 mit hoher Zuverlässigkeit und stabiler Festigkeit auszubilden.
Wenn die Anzahl der oberen Düsenlöcher 22 (3) kleiner als diejenige der unteren Düsenlöcher 21 (2) gewählt ist, wie in 5 dargestellt, wobei beide zueinander versetzt (unvollkommen versetzt) angeordnet sind, neigen die Kraftstoffstrahlen nicht dazu, sich zu kreuzen (oder zu überlappen), was wünschenswert ist. Solange die Kraftstoffstrahlen gleichmäßig (oder gleichförmig) mit Luft gemischt und eine gleichmäßige Verbrennung der Kraftstoffstrahlen erfolgt, wobei die Kraftstoffstrahlen 12, 13 (1) oder 27, 28 (3) einander nicht kreuzen, ist es jedoch möglich, die Anzahl der oberen Düsenlöcher gleich derjenigen der unteren Düsenlöcher zu wählen, und beide in einer vollkommen versetzten Form anzuordnen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung (der in jedem der Ansprüche 1–7 definierten Erfindung) ist es durch das Anordnen der oberen Düsenlöcher 22 (3) und der unteren Düsenlöcher 21 (2) in der vorbeschriebenen Weise möglich, den Kraftstoffverbrauch um 5–10% zu senken, während die in dem Abgas enthaltene Menge an erzeugtem NO_x im Vergleich mit dem herkömmlichen Dieselmotor konstant gehalten wird, wie in der Kurve von 6 dargestellt.
Wenn ferner das Verhältnis der Gesamtfläche lediglich der unteren Düsenlöcher 2 (21) in bezug auf die aus der Summe der Gesamtfläche der oberen Düsenlöcher 3 (22) und der Gesamtfläche der unteren Düsenlöcher 2 (21) abgeleiteten Gesamtfläche in einem Bereich zwischen 70–90% liegt, ist festzustellen, dass sowohl der Kraftstoffverbrauch, als auch die Abgasfarbe auf einem guten Wert gehalten werden, wie in 8 dargestellt.
5 zeigt den Fall, in dem die Zahl der unteren Düsenlöcher 2 acht beträgt und die Zahl der oberen Düsenlöcher 3 vier ist. Wenn es jedoch möglich ist, die Düsenlöcher derart anzuordnen, dass die aus den Düsenlöchern gespritzten Kraftstoffstrahlen 12, 13 einander in der Brennkammer 16 nicht kreuzen, so besteht keine Begrenzung der Anzahl der Düsenlöcher. Bei einem Dieselmotor mit einer Brennkammer 16 in Form einer flachen Vertiefung sollte die Anzahl der unteren Düsenlöcher 2 vorzugsweise größer sein als die Anzahl der oberen Düsenlöcher 3, da so die Abgasfarbe in einem guten Zustand gehalten wird und gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch verringert wird.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dieselmotor mit einer Brennkammer in Form einer flachen Vertiefung in der Oberseite des Kolbens.

Claims

Verbrennungssystem (1) für einen Dieselmotor, wobei das Verbrennungssystem eine Brennkammer (16) in Form einer flachen Vertiefung auf der Oberseite eines Kolbens aufweist, wobei die Tiefe (H) der flachen Vertiefung ungefähr 10% des Durchmessers (D) der Öffnung der Brennkammer beträgt, und ferner ein Kraftstoffeinspritzventil aufweist, mit: einem in Richtung der Brennkammer ragenden Spitzenteil, das mit mehreren ersten Düsenlöchern (2) versehen ist, welche entlang des selben Umfangs und in der Nähe einer unteren Spitze angeordnet sind; und einer kreisförmigen Seitenwand, die an einem zu der unteren Spitze entgegengesetzten Ende des Spitzenteils des Kraftstoffeinspritzventils vorgesehen ist, und mit mehreren zweiten Düsenlöchern (3) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der zweiten Düsenlöcher (3) einen Durchmesser hat, der kleiner als der Durchmesser jedes der ersten Düsenlöcher (2) ist, wobei die ersten Düsenlöcher (2) und die zweiten Düsenlöcher (3) derart versetzt angeordnet sind, dass aus den ersten Düsenlöchern (2) gespritzte Kraftstoffstrahlen und aus den zweiten Düsenlöchern (3) gespritzte Kraftstoffstrahlen einander in der Brennkammer (16) nicht kreuzen.
Verbrennungssystem für einen Dieselmotor nach Anspruch 1, bei dem ein oberer Freiraum (X), der es ermöglicht, auf das Ausbilden von Ventilausnehmungen zu verzichten, und der Bohrungsdurchmesser der Brennkammer an der Oberseite (32) des Kolbens (29) derart gewählt ist, dass die aus den zweiten Düsenlöchern (3) gespritzten Kraftstoffstrahlen auf einen Öffnungsbereich der Brennkammer (16) auf der Oberseite des Kolbens treffen, wenn sich der Kolben nahe dem oberen Totpunkt befindet.
Verbrennungssystem für einen Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Anzahl der ersten Düsenlöcher (2) größer als die Anzahl der zweiten Düsenlöcher (3) ist.
Verbrennungssystem für einen Dieselmotor nach Anspruch 1, bei dem der Kraftstoffventildüsenlochwinkel jedes der zweiten Düsenlöcher (3) derart gewählt ist, dass die aus den zweiten Düsenlöchern (3) gespritzten Kraftstoffstrahlen nach dem Auftreffen auf den Kolben in einem Bereich des oberen Spiels zerstäubt werden.
Verbrennungssystem für einen Dieselmotor nach Anspruch 1, bei dem der Düsenlochwinkel jedes der ersten Düsenlöcher (2) derart gewählt ist, dass die aus den ersten Düsenlöchern (2) gespritzten Kraftstoffstrahlen auf die Bodenfläche der Brennkammer (16) treffen, und derart, dass die aus diesen gespritzten Kraftstoffstrahlen nicht an der Bodenfläche derselben haften.
Verbrennungssystem für einen Dieselmotor nach Anspruch 1, bei dem die ersten Düsenlöcher (2) gleichmäßig beabstandet auf dem gleichen Umfang des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet sind, und die zweiten Düsenlöcher (3) gleichmäßig beabstandet auf dem gleichen Umfang des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet sind.
Verbrennungssystem für einen Dieselmotor nach Anspruch 1, bei dem die ersten Düsenlöcher (2) und die zweiten Düsenlöcher (3) derart vorgesehen sind, dass ein Schnittpunkt (10), an welchem eine Mittelachse (11) des Kraftstoffeinspritzventils und die Mittellinie (5) eines aus jedem der ersten Düsenlöcher (2) gespritzten Kraftstoffstrahls einander schneiden, nicht mit einem Schnittpunkt (9) zusammenfällt, an dem eine Mittelachse des Kraftstoffeinspritzventils und die Mittellinie (4) eines aus jedem der zweiten Düsenlöcher (3) gespritzten Kraftstoffstrahls einander schneiden, um zu verhindern, dass sich die aus den ersten Düsenlöchern (2) gespritzten Kraftstoffstrahlen und die aus den zweiten Düsenlöchern (3) gespritzten Kraftstoffstrahlen kreuzen.