-
Technisches
Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft eine Dieselmotorkraftstoffzündung und im Spezielleren ein
Einspritzzündsystem,
das einen Kraftstoffkonditionierungsfunken zwischen einem Einspritznadelventil
und dessen Ventilsitz bei einer anfänglicher Einspritzung von Kraftstoff
in einen Motorzylinder erzeugt, um einen Zündverzug zu reduzieren.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
In
einem Dieselmotor ist das Verbrennungsereignis durch viele Faktoren
gesteuert. Zwei von diesen, die für den Prozess grundlegend sind,
sind die Kompressionstemperatur der Ladung und der Punkt an dem
der Kraftstoff eingespritzt wird. Ein Problem bei einer Kompressionszündung des
Kraftstoffes in der Ladung aus komprimierter Luft besteht darin,
dass ein wesentlicher Zeitverzug zwischen dem anfänglichen
Eintritt von Kraftstoff in den Zylinder und dem Beginn einer Verbrennung
besteht. Dieses Phänomen,
das als Zündverzug
bezeichnet wird, bewirkt, dass erhöhte Konzentrationen von NOx
erzeugt werden. Auch müssen
die Motorkomponenten auf Grund des hammerähnlichen Effekts, der dadurch
bewirkt wird, dass der angesammelte Kraftstoff beinahe auf einmal
brennt, robuster als für
andere Motoren konstruiert sein müssen.
-
Im
Laufe der Jahre wurden Versuche unternommen, das Problem einer Ansammlung
von unverbranntem Kraftstoff vor einer Kompressionszündung der
Ladung zu reduzieren. Drei der Verfahren, die entwickelt wurden,
sind die Piloteinspritzung, das Rate-Shaping (Einspritzverlaufformen)
und Vorkammern. Bei der Piloteinspritzung wird eine geringe Menge
von Kraftstoff zuerst in den Zylinder vor der Hauptladung eingespritzt,
in der Hoffnung, dass die Pilotladung zu brennen beginnt, unmittelbar
bevor die Hauptladung an Kraftstoff eingespritzt wird und somit
für eine
unverzügliche
Zündung
der Hauptladung ohne eine wesentliche Verzögerung gesorgt ist. Beim Rate-Shaping
wird versucht, ein ähnliches
Ergebnis zu erreichen, indem zu Beginn Kraftstoff bei einer geringeren
Rate eingespritzt wird, und die Kraftstoffeinspritzrate zu dem Zeitpunkt
erhöht
wird, zu dem der früher
eingespritzte Kraftstoff gezündet
wurde. In Motoren mit Vorkammern wird eine geringe Menge von Kraftstoff
in eine getrennte Kammer eingespritzt, wo er entzündet wird
und dann bewirkt, dass ein Strahl von brennendem Kraftstoff in eine Hauptbrennkammer
gezwungen wird, um die Hauptladung von Kraftstoff zu zünden. Während diese
Verfahren ihre Vorteile beim Reduzieren von Zylinderdrücken nach
verringern von Anforderungen an eine Motorstruktur aufweisen, besitzen
sie auch Nachteile bei der Steuerung von geregelten Emissionen aus dem
Verbrennungsprozess, was eine Suche nach verbesserten Wegen wünschenswert
macht, um die Reduktion eines Zündverzugs
in Dieselmotoren zu bewerkstelligen.
-
Die
US 5 531 199 offenbart eine
Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die zu verwenden ist, um Motoren umzuwandeln,
sodass sie mit Kraftstoff, der als Druckgas gespeichert ist, betrieben
werden. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung umfasst einen Düsenkörper und
ein Einspritzventil.
-
Eine
Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1 oder des Oberbegriffs von Anspruch 4 ist aus der
US-A-3 788 546 bekannt.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung
für einen
Dieselmotor, ein Einspritzeinrichtungssystem für einen Dieselmotor und ein
Verfahren bereit zu stellen, das dazu dient, das Problem einer Kraftstoffansammlung zu
reduzieren und den Zündverzug
zu reduzieren.
-
Dieses
Ziel wird mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung für einen
Dieselmotor mit den Merkmalen von Anspruch 1, einem Kraftstoffeinspritzsystem
für einen
Dieselmotor mit den Merkmalen von Anspruch 4 oder einem Verfahren
zum Reduzieren eines Zündverzugs
in Dieselmotoren mit den Merkmalen von Anspruch 6 erreicht. Unteransprüche zielen
auf zu bevorzugende Ausführungsformen
ab.
-
Die
vorliegende Erfindung schlägt
vor, das Problem einer Kraftstoffansammlung auf eine ganz unterschiedliche
Weise zu verringern. Das Wesentliche des Konzepts besteht darin,
ausreichend Energie an dem Punkt eines anfänglichen Kraftstoffeintritts
in den Zylinder zu liefern, sodass der Kraftstoff in einen Zustand
für eine
unmittelbare Zündung
in der Ladung aus komprimierter Luft des Motorzylinders versetzt
wird. Es gibt viele Arten, auf die diese Energie geliefert werden
kann, umfassend z. B. einen Laserstrahl, Induktion, Mikrowellen,
AC-Funken, DC-Funken, Strahlung, Widerstandserwärmung, chemische Reaktionen
etc. Bei der vorliegenden Erfindung besteht das gewählte Verfahren
im Erzeugen eines Funkens oder einer elektrischen Entladung an dem
Punkt eines anfänglichen
Kraftstoffeintritts in den Zylinder, sodass der Kraftstoff durch
die Funkenenergie konditioniert wird, um für eine Kompressionszündung bei
Eintritt in den Zylinder bereit zu sein.
-
Um
ein Mittel für
eine Funkenkonditionierung des eingespritzten Kraftstoffes mit einem
Minimum an Abwandlung herkömmlicher
Dieselmotorkomponenten bereitzustellen, sieht die vorliegende Erfindung
eine Dieselzündeinspritzeinrichtung
oder Zündkraftstoffdüse vor.
Die Zünddüse ist derart
aufgebaut, dass eine elektrische Ladung zwischen dem Einspritzventilsitz
in der Spitze der Einspritzeinrichtungsdüse und dem Einspritzventil,
das an dem Ventilsitz aufsitzt und geöffnet wird, um zuzulassen,
dass Kraftstoff eingespritzt wird, aufgebracht werden kann. Das
Einspritzventil und zugeordnete, sich bewegende Komponenten, wie
z. B. eine Vorspannfeder sind vorzugsweise von dem Körper der
Einspritzeinrichtung oder der Kraftstoffdüse isoliert und sind mit einer externen
Quelle elektrischer Energie elektrisch verbunden. Das elektrische
System ist derart angeordnet, dass bei Anheben des Einspritzventils
von dem Ventilsitz weg die elektrische Ladung zwischen dem Ventil
und der zugeordneten Düse
einen Funken oder einen elektrischen Entladungsbogen zwischen der Spitze
des Einspritzventils und dem Ventilsitz, zwischen denen der Kraftstoff
strömt,
wenn er eingespritzt wird, erzeugt. Man nimmt an, dass die elektrische
Entladung über
diesen Spalt ein/e Kraftstoff-Cracken, -Ionisierung und -Erwärmung bewirkt, die
alle den Kraftstoff derart konditionieren, dass er bei Eintritt
in den Zylinder schnell, mit geringem oder ohne Zündverzug
gezündet
wird. Somit beginnt, wenn zusätzlicher
Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, dieser sein Verbrennungsereignis,
und ein schneller Anstieg des Zylinderdrucks über jenen hinaus, der durch
die Rate einer Kraftstoffeinspritzung verursacht wird, wird vermieden.
Auch wird eine Verbrennung besser gesteuert und eine Reduktion unerwünschter
Emissionen wie z. B. NOx kann erwartet werden.
-
Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden
Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine Querschnittsansicht einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung oder
Kraftstoffdüse
eines Dieselmotors mit einem/r elektrisch isolierten Einspritzventil
und -feder zusammen mit einem Leitmittel zum Aufbringen einer elektrischen
Entladung an der Düsenspitze
gemäß der Erfindung;
und
-
2 ist
eine schematische Darstellung, die eine vereinfachte Form einer
elektrischen Zündschaltung
zur Verwendung mit der Einspritzeinrichtungsdüse von 1 zeigt.
-
Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
-
Unter
Bezugnahme zuerst auf 1 der Zeichnungen bezeichnet
die Ziffer 10 allgemein eine Düsenanordnung, die einen Teil
eines Einspritzeinrichtungs- oder Einspritzsystems eines Dieselmotors bildet.
Die Anordnung 10 umfasst einen Hauptkörper 12, der eine
Einspritzdüse 14 trägt und einer
Niederhalteklammer oder -klemme 15 zum Halten der Düsenanordnung
in einer Düsenöffnung eines
zugeordneten Motorzylinderkopfes (nicht gezeigt) zugeordnet ist.
Während
die veranschaulichte Form einer Einspritzdüsenanordnung zur Verwendung
mit einem Einspritzsystem bestimmt ist, das eine separat montierte
Einspritzpumpe aufweist, die mit der Düsenanordnung durch eine Hochdruckkraftstoffleitung
verbunden ist, sind die Betriebsabschnitte der zu beschreibenden
Kraftstoffdüsenanordnung
derart, wie sie gleichermaßen
gut in anderen Typen von Einspritzdüsen und in selbstständigen Kraftstoffeinspritzeinrichtungen,
die sowohl eine Kraftstoffeinspritzpumpe als auch eine integrale
Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung
umfassen, verwendet werden könnten.
-
Die
Düsenanordnung 10 ist
insofern einer Form einer Kraftstoffeinspritzdüse nach dem Stand der Technik ähnlich,
als der Hauptkörper 12 eine
Vertiefung 16 umfasst, die zu dem unteren Ende offen ist und
eine Ventilfeder 18 mit einem oberen und einem unteren
Federsitz 20, 22 enthält. Der untere Federsitz ist
durch die Feder gegen das obere Ende eines Einspritzventils in der
Form eines Nadelventils 24, das in einer Bohrung innerhalb
der Einspritzdüse 14 hin-
und herbewegbar montiert ist, vorgespannt. Das untere Ende oder
die Spitze 26 des Nadelventils ist allgemein konisch und
sitzt normalerweise an einem konischen Ventilsitz 28 auf,
unter den mehrere Sprühöffnungen 30 vorgesehen
sind. Ein Abstandhalter 32 trennt die Einspritzdüse von dem
Hauptkörper
und der Abstandhalter und die Einspritzdüsenelemente sind an dem Hauptkörper durch
eine Montagemutter 34 gehalten. Ein Hochdruckkraftstoffdurchgang 36 erstreckt
sich in Längsrichtung
von einer Öffnung
in dem oberen Ende des Körpers
zu einer Seite des Körpers
und durch diesen hindurch, setzt sich durch den Abstandhalter und
in die Einspritzdüse 14 hinein
fort, wo er an einer vergrößerten Kammer 37, die
einen zentralen Abschnitt des Nadelventils umgibt, endet. Die getrennten
Abschnitte des Kraftstoffdurchgangs 34 sind durch Führungsstifte 38, 39,
die sich zwischen dem Abstandhalter 32 und der Einspritzdüse 14 an
der unteren Seite und zwischen dem Abstandhalter und dem Hauptkörper 12 an
der oberen Seite erstrecken, in Ausrichtung gehalten. Auch ein Kraftstoffrückführungsdurchgang 40 erstreckt
sich von dem oberen Ende der Federvertiefung 16 zu einer
Auslassöffnung 42 in
dem Körper 12.
-
Im
Betrieb dieser herkömmlichen
Abschnitte der Kraftstoffdüsenanordnung
wird Hochdruckkraftstoff durch den Durchgang 36 zu der
Kammer 37, die das Nadelventil 24 umgibt, gefördert. Wenn
eine Einspritzung von Kraftstoff erforderlich ist, erhöht eine separate
Pumpe den Kraftstoffdruck in dem Durchgang 36 und betätigt hydraulisch
das Nadelventil gegen die Vorspannung der Feder 18, um
das Ventil zu öffnen
und zuzulassen, dass Kraftstoff von der Kammer 37 nach
unten durch einen Zwischenraum, nicht gezeigt, hindurch zu dem Ventilsitz 28 strömt, wo der Kraftstoff
durch die Öffnungen 30 hindurch
in einen zugeordneten Motorzylinder hinein gesprüht wird. Bei einem Abstellen
des hohen Kraftstoffdrucks wird das Einspritzventil 24 zu
dem Ventilsitz 28 zurückgesetzt
und sperrt die Kraftstoffströmung.
Kraftstoff, der hinter dem engen Zwischenraum zwischen dem oberen
Abschnitt des Nadelventils 24 zu der Düse 14 austritt, tritt
in die Federvertiefung 16 in dem Hauptkörper ein und strömt durch
den Rücklaufkanal 40 und
die Auslassöffnung 42 hindurch
zu einer Rücklaufleitung,
nicht gezeigt, in dem Kraftstoffsystem.
-
Gemäß der Erfindung
sind herkömmliche Abschnitte
der soeben beschriebenen Kraftstoffdüse abgewandelt, sodass sie
einen Funkenzünder 44 als einen
Abschnitt der Kraftstoffeinspritzdüsenanordnung 10 umfassen.
Diese Abwandlungen umfassen eine Isolierung des Nadelventils 24 und
der Feder 18 von dem Rest des Hauptkörpers 12 und der Einspritzdüse 14.
In der offenbarten Ausführungsform
ist dies bewerkstelligt, indem der Abstandhalter 32 und der
obere Federsitz 20 aus elektrisch isolierenden Keramikmaterialien
hergestellt sind. Darüber
hinaus kann eine rohrförmige
Keramik 46 in der Federvertiefung 16 vorgesehen
sein, die die Feder umgibt und sie von dem Körper 12 trennt. In
der Einspritzdüse 14 sind
Keramikmaterialien 48 zwischen dem Nadelventil 24 und
den Innenwänden
der Einspritzdüse 14 verwendet,
um das Einspritzventil 24 von der Düse zu isolieren. Allerdings
ist die konische Spitze des Einspritzventils 24 dort, wo
es an dem konischen Sitz der Einspritzdüse aufsitzt, nicht isoliert,
lässt jedoch
eine elektrische Verbindung zwischen dem Nadelventil und der Düse an dem
Ventilsitz 28 zu. Zusätzlich
ist ein isoliertes Stromkabel 50 durch die Auslassöffnung 42 und
den Rücklaufkraftstoffdurchgang 40 hindurch
zu der Federvertiefung 16 in dem Körper 12 geführt, wo
das Kabel mit einem feststehenden Ende der Feder 18 elektrisch
verbunden ist.
-
Ein
Betrieb der abgewandelten Düsenanordnung
gestaltet sich wie folgt. Eine Quelle elektrischer Energie wie z.
B. eine Induktionsspule ist mit einem äußeren Ende des Stromkabels 50 verbunden.
Die Schaltung wird komplettiert, indem der Hauptkörper oder
die Mutter 36 der Düsenanordnung 10 an
einen zugeordneten Zylinderkopf des Motors, nicht gezeigt, an Masse
gelegt wird. Wenn die Einspritzeinrichtung hydraulisch betätigt wird,
wird elektrische Energie, die durch das Kabel 50 hindurch
an die Feder 18 und durch die Feder hindurch an das Nadelventil 24 geführt wird,
von dem Nadelventil 24 zu dem zugeordneten Düsenventilsitz 28 geleitet.
-
Wenn
die Nadel 24 sich anhebt und Kraftstoff durch die Öffnungen 30 hindurch
nach außen
zu strömen
beginnt, löst
die Bewegung der Nadel von dem Ventilsitz 28 weg eine elektrische
Entladung oder einen Funken zwischen der Nadel 24 und dem
Ventilsitz aus. Der anfänglich
eingespritzte Kraftstoff strömt durch
die elektrische Entladung hindurch und wird konditioniert, beispielsweise
durch Kraftstoff-Cracken, -Ionisierung und -Erwärmung. Dies resultiert darin,
dass der Kraftstoff für
eine im Wesentlichen unmittelbare Zündung bei Eintritt der Ladung
aus komprimierter Luft in den Zylinder aufbereitet wird, sodass
ein Zündverzug
vollständig
oder großteils
beseitigt ist und eine Zündung
beinahe unmittelbar bei einer Einspritzung von Kraftstoff beginnt.
Die anfänglich
brennende Masse von Kraftstoff setzt dann fort, den nachfolgend
eingespritzten Kraftstoff zu zünden oder
als das Ergebnis einer Erhöhung
der Temperatur erfolgt eine Kompressionszündung des Kraftstoffes unmittelbar.
Das Ergebnis besteht darin, dass ein Zündverzug im Wesentlichen vermieden
oder überwunden
ist und ein Verbrennen des Kraftstoffes schreitet bei einer niedrigeren
Rate basierend auf der für
die Einspritzeinrichtung erstellten Rate einer Kraftstoffeinspritzung
voran. Somit sind Zylinderdrücke
und -temperaturen gemäßigt und
NOx-Emissionen sind im Wesentlichen reduziert, während die erforderliche strukturelle
Festigkeit der Zylinderstruktur vergleichsweise verringert ist.
-
Jede
beliebige Quelle elektrischer Energie kann zum Erzeugen der Funkenzündung oder
von Funkenkonditionierungsaspekten der elektrischen Entladung innerhalb
der Kraftstoffeinspritzeinrichtungsdüse verwendet werden. 2 veranschaulicht eine
Form einer elektrischen Zündschaltung 52 zur Verwendung
beim Entwickeln der Leistung, die zum Betätigen solch eines Einspritzsystems
erforderlich ist. Die Zündschaltung 52 umfasst
eine Batterie 54 oder eine andere Quelle elektrischer Gleichstromenergie.
Ein negativer Pol der Batterie ist durch einen Schalter 56 mit
einem Massepunkt 58 der Schaltung mit dem Motorrahmen verbunden.
Ein positiver Pol der Batterie ist mit einer Induktionsspule 60 verbunden,
die wiederum durch die Zündeinrichtung,
die durch die Düsenanordnung 10 gebildet
ist, mit dem Massepunkt 58 durch eine Verbindung des Hauptkörpers 12 oder
der Mutter 36 der Anordnung mit dem Motorzylinderkopf verbunden
ist.
-
Im
Betrieb, wenn der Schalter 56 geschlossen ist und die Zündpunkte 10 dadurch
geschlossen sind, dass das Nadelventil 24 an dem Ventilsitz 28 aufsitzt,
fließt
ein Strom durch die Schaltung 52, um in der Spule 60 eine
induktive Energie aufzubauen. Wenn das Einspritz (Nadel)-Ventil 24 betätigt wird und
von seinem Sitz 28 aufgehoben wird, um eine Kraftstoffströmung zu
beginnen, wird die Schaltung unterbrochen und die Induktionsspule 60 wird
entladen. Dies bewirkt eine Bogenentladung über die Zünd punkte, d. h., zwischen der
Spitze des Nadelventils 24 und dem benachbarten Ventilsitz 28,
durch die hindurch der anfänglich
eingespritzte Kraftstoff strömt
und für
eine unmittelbare Zündung
bei Eintritt in den Zylinder konditioniert wird. Die Verwendung des
Schalters 56 ist optional, abhängig von der Energieversorgung
und der Notwendigkeit, einen Stromfluss zwischen Zündereignissen
in dem Zylinder zu unterbrechen. Somit könnte der Schalter 56,
falls gewünscht,
beseitigt sein, sodass immer, wenn der Motor in Betrieb ist, der
Schalter 52 einen Stromfluss durch das System hindurch
aufweist, außer
wenn die Zündpunkte
getrennt sind und eine Bogenentladung auftritt, wenn die Schaltung
unterbrochen ist.
-
Die
vorliegende Erfindung zieht auch weitere Verfahren und Mittel für eine Energieversorgung,
um Kraftstoff für
eine unmittelbare Zündung
beim Einspritzen in einen Motorzylinder zu konditionieren, in Erwägung. Diese
umfassen eine Lasererwärmung, Induktionserwärmung, Mikrowellenerwärmung, Strahlung,
Widerstandserwärmung,
chemische Erwärmung
und weitere bekannte Erwärmungsverfahren
und -vorrichtungen, die auf oder benachbart zu einer Einspritzeinrichtungsdüse angewendet
werden können.