DE69400077T2

DE69400077T2 - Brennkraftmaschine mit Selbstzündung und Verbrennungsverfahren

Info

Publication number: DE69400077T2
Application number: DE69400077T
Authority: DE
Inventors: Akio Kawaguchi; Yasuo Sato; Hiromichi Yanagihara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1994-08-19
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2014-08-20
Also published as: EP0639710A1; US5467757A; EP0639710B1; DE69400077D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Fachgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor mit Selbstzündung (Motor vom Verdichtungs-Zündungs-Typ) und ein Verbrennungs-Verfahren dieses Motors.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Bei einem herkömmlichen Motor mit Selbstzündung wird Kraftstoff einer mittleren Partikelgröße von etwa 20 µm bis 50 µm oder weniger in den Brennraum eingespritzt, und zwar nach einem Punkt von etwa 30 Grad vor dem oberen Totpunkt im Verdichtungshub. Weiters ist in dem besonderen Motor mit Selbstzündung, der in der ungeprüften japanischen Patent- Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 60-256523 beschrieben ist, ein Einlaß-Drossel-Ventil in der Einlaß-Leitung oder ein Auspuff- Drossel-Ventil in der Auspuff-Leitung vorgesehen, wobei der Kraftstoff-Einspritz-Zeitpunkt auf 120 Grad vor dem oberen Totpunkt vorverlegt ist, und es werden entweder das Einlaß- Drossel-Ventil oder das Auspuff-Drossel-Ventil oder beide zum Zeitpunkt eines Betriebs des Motors mit niedriger Last geschlossen.
Es wird jedoch bei einem herkömmlichen Motor mit Selbstzündung, bei dem Kraftstoff mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 20 µm bis 50 µm oder weniger nach einem Punkt von etwa 30 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungs-Hubes eingespritzt wird, ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes unmittelbar verdampft, wenn die Einspritzung gerade begonnen wird. Der nachfolgende Kraftstoff tritt in die Flamme der Verbrennung des verdampften Kraftstoffs ein, und daher wird der eingespritzte Kraftstoff in der Folge verbrannt. Falls der Kraftstoff, der in die Flämme der Verbrennung eintritt, auf diese Weise nachfolgend zur Verbrennung gebracht wird, wird dieser Kraftstoff jedoch in einem Zustand des Luftmangels verbrannt, so daß eine große Menge von unverbrannten HC oder Ruß erzeugt werden wird.
Bei einem solchen Motor mit Selbstzündung wird weiters die Kraftstoff-Einspritzung in einem begrenzten Bereich gebildet, und daher wird die Verbrennung in einem begrenzten Bereich in dem Brennraum durchgeführt. Falls die Verbrennung in einem solchen begrenzten Bereich durchgeführt wird, wird die lokale Verbrennungstemperatur im Vergleich zu dem Fall größer, in dem die Verbrennung in dem gesamten Innenraum des Brennraums durchgeführt wird, und dementsprechend wird eine große Menge von NOx erzeugt. Je kleiner die Partikelgröße des eingespritzten Kraftstoffs ist und je größer die Verdampfung des Kraftstoffs unmittelbar nach der Einspritzung ist, um so stärker ist weiters der plötzliche Druckanstieg, der durch die explosionsartige Verbrennung verursacht wird, wenn die Zünd-Verzögerungs-Zeit nach dem Beginn der Einspritzung verstreicht, und um so größer ist als ein Ergebnis die Verbrennungstemperatur und um so größer ist weiters die Menge von NOx, die erzeugt wird.
Weiters ist in dem Motor mit Selbstzündung, der in der ungeprüften japanischen Patent-Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 60 256 523 beschrieben ist, das Einlaß-Drossel-Ventil oder das Auspuff-Drossel-Ventil zur Zeit eines Betriebs des Motors mit kleiner Last geschlossen, um so die Menge des restlichen verbrannten Gases in dem Brennraum zu steigern, und die Wärme dieses restlichen verbrannten Gases wird dazu verwendet, den eingespritzten Kraftstoff zu erwärmen und aus den Kraftstoff- Molekülen Radikale zu bilden. Bei diesem Motor mit Selbstzündung wird jedoch zu anderen Zeiten als zu denen des Betriebs mit niedriger Motorlast der gleiche Verbrennungs-Vorgang durchgeführt wie bei dem herkömmlichen Motor mit Selbstzündung, so daß zu diesen Zeiten eine große Menge von Ruß und NOx erzeugt werden.
Auf diese Weise ist es, solange das herkömmliche Verbrennungs-Verfahren verwendet wird, unmöglich, die Erzeugung von Ruß und NOx zu verhindern, und es ist dementsprechend notwendig, grundsätzliche Änderungen des Verbrennungs-Verfahrens durchzuführen, um das Erzeugen von Ruß und NOx zu verhindern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Motor mit Selbstzündung und ein Verbrennungs-Verfahren für diesen zu schaffen, die dazu geeignet sind, die Menge der Erzeugung von Ruß und NOx auf nahezu null zu reduzieren.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Motor mit Selbstzündung vorgesehen, der einen Brennraum aufweist, umfassend Einspritz-Mittel zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum und zur Bildung von Tröpfchen, die in dem Brennraum verteilt sind, wobei der Mittelwert der Partikelgröße der Kraftstoff-Tröpfchen größer als eine vorbestimmte Partikelgröße ist, bei der die Temperatur der Kraftstoff-Tröpfchen, die die vorbestimmte Partikelgröße aufweisen, einen Siedepunkt eines Hauptbestandteils des Kraftstoffs erreicht, welcher Siedepunkt durch den Druck in dem Brennraum im wesentlichen am oberen Totpunkt des Verdichtungs Hubes bestimmt ist, sowie Steuer-Mittel zur Steuerung der Einspritz-Mittel, um einen Einspritz-Vorgang durch die Einspritz- Mittel zu einem vorbestimmten Zeitpunkt durchzuführen, und zwar während eines Zeitraums vom Beginn des Ansaug-Hubes bis etwa 60 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungs-Hubes.
Zusätzlich dazu ist entsprechend einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verbrennungs-Verfahren eines Motors mit Selbstzündung vorgesehen, der einen Brennraum aufweist, umfassend die Schritte des Einspritzens von Kraftstoff in einen Brennraum zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während eines Zeitraums vom Start des Ansaug-Hubes bis 60 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungs-Hubes; des Bildens von Kraftstoff- Tröpfchen, die in dem Brennraum verteilt sind, wobei der Mittelwert der Partikelgröße der Kraftstoff-Tröpfchen größer ist als eine vorbestimmte Partikelgröße, bei der die Temperatur der Kraftstoff-Tröpfchen, die die vorbestimmte Partikelgröße aufweisen, einen Siedepunkt eines Hauptbestandteils des Kraftstoffs erreicht, welcher Siedepunkt durch den Druck in dem Brennraum im wesentlichen am oberen Totpunkt des verdichtungs- Hubes bestimmt ist; des Verhinderns des Verdampfens von Kraftstoff durch Sieden der Kraftstoff-Tröpfchen, bis eine Kurbelwelle ungefähr den oberen Totpunkt des Verdichtungs-Hubes erreicht, nachdem das Einspritzen von Kraftstoff begonnen ist; und des Verdampfens des Kraftstoffs von den Kraftstoff-Tröpfchen durch Sieden und des Starts der Verbrennung des verdampften Kraftstoffs im wesentlichen nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungs-Hubes.
Die vorliegende Erfindung kann aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsvarianten der Erfindung umfassender verstanden werden, welche zusammen mit den beigefügten Zeichnungen in der Folge gegeben wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein seitlicher Schnitt des Motors mit Selbstzündung;
Fig. 2 ist eine Ansicht eines Zylinderkopf 5 von Fig. 1 von unten;
Fig. 3 ist ein seitlicher Schnitt einer Einspritzpumpe;
Fig. 4 ist ein seitlicher Schnitt einer Kraftstoff- Einspritzdüse;
Fig. 5 ist ein seitlicher Schnitt eines vorderen Endes einer Kraftstoff-Einspritzdüse in vergrößertem Maßstab;
Fig. 6 ist ein seitlicher Schnitt eines vorderen Endes einer Kraftstoff-Einspritzdüse in vergrößertem Maßstab, der eine andere Ausführungsvariante zeigt;
Fig. 7 ist eine Ansicht, die die Anderungen des Drucks im Brennraum zeigt, die gerade durch die Verdichtungswirkung eines Kolbens erzeugt werden;
Fig. 8 ist eine Ansicht des Siedepunktes und der Anderung der Temperatur der Kraftstoff-Partikel;
Fig. 9A und 9B sind Ansichten der Verteilung von Kraftstoff-Partikeln;
Fig. 10 ist eine Ansicht der Menge der Erzeugung von Ruß und NOx;
Fig. 11 ist ein Zeitdiagramm einer Kraftstoff-Einspritz- Steuerung;
Fig. 12A, 12B und 12C sind Ansichten des Kraftstoff- Drucks, usw. in der Kraftstoff-Speicher-Kammer;
Fig. 13 ist ein Flußdiagramm für die Steuerung der Einspritzung;
Fig. 14 ist ein seitlicher Schnitt einer anderen Ausführungsvariante des Motors mit Selbstzündung;
Fig. 15 ist eine Ansicht eines Zylinderkopf 5 von Fig. 14 von unten;
Fig. 16 ist ein Schnitt eines vorderen Endes einer Kraftstoff-Einspritzdüse von Fig. 14;
Fig. 17 ist ein Schnitt entlang der Linie XVII - XVII von Fig. 16;
Fig. 18 ist eine Übersicht einer weiteren Ausführungsvariante eines Motors mit Selbstzündung;
Fig. 19 ist ein Diagramm des Ziel-Kraftstoff-Drucks P&sub0;;
Fig. 20 ist eine Ansicht des Öffnungs- und Schließvorganges eines Überstrom-Ventils;
Fig. 21 ist ein Flußdiagramm zur Steuerung der Kraftstoff-Drucks;
Fig. 22 ist ein Flußdiagramm für die Steuerung der Kraftstoff-Einspritzung; und
Fig. 23 ist ein seitlicher Schnitt des vorderen Endes einer Kraftstoff-Einspritzdüse in vergrößertem Maßstab.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSVARIANTEN

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen den Fall einer Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Viertakt-Motor mit Selbstzündung.
Indem zunächst auf die Fig. 1 und auf die Fig. 2 Bezug genommen wird, bezeichnet 1 einen Körper des Motors, 2 einen Zylinderblock, 3 einen Zylinderkopf, 4 einen Kolben, 5 einen Brennraum, 6 ein Paar von Einlaßventilen, 7 ein Paar von Einlaß- Öffnungen, 8 ein Paar von Auslaßventilen, 9 ein Paar von Auslaß- Öffnungen, 10 eine Kraftstoff-Einspritzdüse, die am oberen Mittelpunkt des Brennraums 5 angeordnet ist und 11 eine vom Motor angetriebene Einspritzpumpe. Die Einlaß-Öffnungen 7 setzen sich jeweils aus einer geraden Öffnung zusammen, die sich im wesentlichen geradlinig erstreckt. Daher kann in dem Motor mit Selbstzündung, der in den Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist, ein Wirbel in dem Brennraum 5 durch die Luftströmung aus der Einlaß- Öffnung 7 in den Brennraum 5 nicht erzeugt werden.
Fig. 3 ist ein seitlicher Schnitt der Einspritzpumpe 11. Indem auf die Fig. 3 Bezug genommen wird, ist 20 ein Körper der Einspritzpumpe und 21 ist eine Kraftstoff-Förder-Pumpe. Um das Verständnis des Aufbaus zu erleichtern, ist die Kraftstoff- Förder-Pumpe 21 um 90 Grad gedreht dargestellt. Die Kraftstoff- Förder-Pumpe 21 besitzt einen Rotor 23, der an einer Antriebswelle 22 befestigt ist, die durch den Motor angetrieben wird. Kraftstoff, der vom Kraftstoff-Zufuhr-Anschluß 24 aufgenommen wird, strömt am Rotor 23 vorbei und wird aus einem Kraftstoff-Ausstoß-Anschluß 25 in eine Kraftstoff-Druck-Kammer 26 in dem Kraftstoff-Pumpen-Körper 20 ausgestoßen. Das innere Ende der Antriebswelle 22 steht in die Kraftstoff-Druck-Kammer 26 vor. Ein Zahnrad 27 ist an dem inneren Ende der Antriebswelle 22 befestigt.
Andererseits ist ein Ende eines Kolbens 29 in den Zylinder 28 eingefügt, der in dem Gehäuse 20 der Kraftstoff-Pumpe gebildet ist. Das andere Ende des Kolbens 29 ist mit einer Nocken-Platte 30 verbunden, die mit der gleichen Anzahl von Nocken-Profilen 30a versehen ist wie Zylinder vorliegen. Das innere Ende der Antriebswelle 22 ist mit der Nocken-Platte 30 über eine Kupplung 31 verbunden, die das zu geeignet ist, das Drehmoment zu übertragen. Die Nocken-Platte 30 wird durch die Federkraft einer Druckfeder 32 auf eine Rolle 33 gedrückt. Wenn sich die Antriebswelle 22 dreht und die Nocken-Profile 30a der Nocken-Platte 30 mit der Rolle 33 in Eingriff stehen, bewegt sich der Kolben 29 in der Axialrichtung. Dementsprechend wird bewirkt, daß sich der Kolben 29 dreht und hin und her bewegt.
Eine Druck-Kammer 34 ist am vorderen Ende des Kolbens 29 gebildet. Innerhalb des Kolbens 29 sind eine Kraftstoff-Ausstoß- Öffnung 35 und eine Kraftstoff-Überlauf-öffnung 36 gebildet, die mit der Druck-Kammer 34 in Verbindung stehen. Um den Kolben 29 sind Kraftstoff-Ausstoß-Leitungen 37 in gleichen Winkelabständen gebildet, und zwar in der gleichen Anzahl wie Zylinder vorgesehen sind. Die Kraftstoff-Ausstoß-Leitungen 37 stehen mit den entsprechenden Kraftstoff-Einspritzdüsen 10 über ein Rückschlagventil 38 in Verbindung. Andererseits ist ein Überlauf- Ring 39 zur Steuerung der Öffnung und des Schließens der Kraftstoff-Überlauf-Öffnung 36 oberhalb des Kolbens 29 eingeführt. Die Stellung des Überlauf-Rings 39 wird durch einen Steuerungs-Verbindungs-Mechanismus 41 gesteuert, der drehbar um einen Schwenk-Stift 40 gelagert ist.
Das obere Ende des Steuer-Verbindungs-Mechanismus 41 ist über eine Zugfeder 44 mit einem exzentrischen Stift 43 verbunden, der an einer Drehachse 42 befestigt ist. Die Drehachse 42 ist mit einem Gaspedal 12 (Fig. 1) verbunden und wird durch das Gaspedal 12 gedreht. Weiters ist innerhalb der Kraftstoff-Druck-Kammer 26 ein Steuerungs-Mechanismus 45 vorgesehen, der den Steuer- Verbindungs-Mechanismus 41 im Uhrzeigersinn vorspannt, je höher die Drehzahl ist. Der unter Druck gesetzte Kraftstoff innerhalb der Kraftstoff-Druck-Kammer 26 wird von einer Kraftstoff-Zufuhröffnung 26a in das Innere der Druck-Kammer 34 zugeführt. Der Kraftstoff in der Druck-Kammer 34 wird unter Druck gesetzt, wenn sich der Kolben 29 nach rechts bewegt. Wenn als nächstes die Kraftstoff-Ausstoß-Öffnung 35, die im Kolben 29 gebildet ist, mit einer der Kraftstoff-Ausstoß-Leitungen 37 in Verbindung gebracht wird, wird der Kraftstoff in der Druck-Kammer 34 durch das Rückschlagventil 38 zu der entsprechenden Kraftstoff- Einspritzdüse 10 zugeführt.
Wenn sich als nächstes der Kolben 29 weiter nach rechts bewegt und wenn sich die Kraftstoff-Überlauf-Öffnung 26 in die Kraftstoff-Druck-Kammer 36 öffnet, wird die Zufuhr von Kraftstoff zu der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 gestoppt. Der Zeitpunkt, an dem sich der Überlauf-Anschluß 36 zur Kraftstoff-Druck-Kammer 26 hin öffnet, ändert sich in Abhängigkeit von der Stellung des Überlauf-Ventils 39, und daher wird die Menge des Kraftstoffs, der zur Kraftstoff-Einspritzdüse 10 zugeführt wird, durch die Stellung des Überlauf-Ventils 39 gesteuert. Die Stellung des Überlauf-Ventils 39 wird so gesteuert, daß die Menge des Kraftstoffs, die zur Kraftstoff-Einspritzdüse 10 zugeführt wird, gesteigert wird, je größer das Ausmaß ist, in dem das Gaspedal 12 (Fig. 1) niedergedrückt wird, und so, daß die Menge von Kraftstoff, die zur Kraftstoff-Einspritzdüse 10 zugeführt wird, verringert wird, je größer die Drehzahl des Motors ist.
Wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, ist ein Einspritzdruck- Steuer-Ventil 46 an dem Kraftstoff-Pumpen-Körper 11 angebracht. Das Einspritzdruck-Steuer-Ventil 46 umfaßt eine Kraftstoff- Überlauf-Öffnung 47, die mit dem Inneren der Druck-Kammer 34 in Verbindung steht, einen Ventil-Körper 49, der normalerweise die Kraftstoff-Überlauf-Öffnung 47 durch die Federkraft der Druckfeder 48 schließt, und eine Gegendruck-Kammer 50 des Ventil- Körpers 49. Die Gegendruck-Kammer 50 ist mit der Kraftstoff- Druck-Kammer 26 über eine Leitung 51 verbunden. Wenn der Kraftstoff in der Druck-Kammer 34 durch den Kolben 29 verdichtet wird, falls der Kraftstoff-Druck in der Druck-Kammer 34 größer wird als der Ventil-Öffnungs-Druck des Ventil-Körpers 49, dann strömt der Kraftstoff im Inneren der Druck-Kammer 34 über die Kraftstoff-Überlauf-Öffnung 47 aus, und dann wird der überlaufende Kraftstoff über die Leitung 52 in die Kraftstoff- Druck-Kammer 26 zurückgeführt. Dementsprechend wird der maximale Kraftstoff-Druck im Inneren der Druck-Kammer 34 durch den Ventil- Öffnungs-Druck des Ventil-Körpers 49 bestimmt, und der maximale Druck des Kraftstoffs, der zu der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 zugeführt wird, wird durch den Ventil-Öffnungs-Druck des Ventil- Körpers 49 in gleicher Weise bestimmt.
Je größer die Drehzahl des Motors ist, um so größer ist jedoch die Ausstoßmenge der Kraftstoff-Förder-Pumpe 21, so daß der Kraftstoff-Druck innerhalb der Kraftstoff-Druck-Kammer 26 um so größer ist, je größer die Drehzahl des Motors ist. Zusammen mit dem Anstieg des Kraftstoff-Drucks in der Kraftstoff-Druck- Kammer 26 steigt der Kraftstoff-Druck in der Gegendruck-Kammer 50 an, so daß, je größer die Drehzahl des Motors ist, desto größer der Ventil-öffnungs-Druck des Ventil-Körpers 49 ist, und daher, je größer die Drehzahl des Motors ist, desto größer der Druck des Kraftstoffs ist, der zur Kraftstoff-Einspritzdüse 10 zugeführt wird.
Es ist festzuhalten, daß die Kraftstoff-Einspritzpumpe 11 eine Verbesserung gegenüber der Kraftstoff-Pumpe vom herkömmlichen Verteiler-Typ ist, und daß sie mit einem Kraftstoff-Einstell-Mechanismus versehen ist, der einen Überlauf- Ring 39, einen Steuerungs-Mechanismus 45, usw. umfaßt. Wie dies später jedoch beschrieben werden wird, umfaßt die Kraftstoff- Einspritzdüse 10 in der Ausführungsvariante entsprechend der vorliegenden Erfindung einen Typ einer Kraftstoff-Einspritzdüse, die eine Kraftstoff-Speicher-Kammer aufweist, um in ihrem Inneren Kraftstoff zu speichern, und die Menge der Kraftstoff- Einspritzung wird gesteuert, indem der Ventil-Öffnungs-Zeitpunkt der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 oder indem die Ventil-Öffnungs- Zeit und der Kraftstoff-Einspritz-Druck gesteuert werden, so daß es auch möglich ist, eine Kraftstoff-Einspritzpumpe zu verwenden, die nur mit einem Kraftstoffdruck-Einstell-Mittel versehen ist, wie etwa dem Einspritzdruck-Steuer-Ventil 46, und die nicht den Überlauf-Ring 39, den Steuer-Mechanismus 45, usw. vorsieht.
Fig. 4 ist ein seitlicher Schnitt einer Kraftstoff- Einspritzdüse 10. Indem auf die Fig. 4 Bezug genommen wird, ist 61 eine Nadel, die gleitbar in dem Körper 60 der Kraftstoff- Einspritzdüse angeordnet ist, ist 62 ein Ventil-Körper, der einstückig mit dem vorderen Ende der Nadel 61 ausgebildet ist, ist 63 ein Feder-Rückhalter, der an dem oberen Ende der Nadel 61 angebracht ist, ist 64 eine Druckfeder, die den Feder-Rückhalter 63 in die Richtung nach oben hin vorspannt, ist 65 eine Stange, die in Ausrichtung mit der Nadel 61 angeordnet ist, ist 66 eine Kraftstoff-Speicher-Kammer, die einen Fassungsraum von einigen zehn Mal der Menge der Kraftstoff-Einspritzung zum Zeitpunkt der maximalen Kraftstoff-Einspritzung aufweist, ist 67 ein Kolben, der gleitbar in dem Düsen-Körper 60 angeordnet ist, ist 68 ein piezoelektrisches Element zum Antrieb des Kolbens 67, ist 69 eine Blattfeder, die den Kolben 67 zum piezoelektrischen Element 68 hin vorspannt, ist 70 eine Kammer mit veränderlichem Fassungsvermögen, die durch die Vorderfläche des Kolbens 67 begrenzt wird und ist 71 eine Kraftstoff-Zufuhr-Öffnung.
Die Kraftstoff-Zufuhr-Öffnung 71 ist mit einer Kraftstoff-Ausstoß-Leitung 37 (Fig. 3) verbunden, die der Einspritzpumpe 11 zugeordnet ist, und daher wird Kraftstoff, der von der Kraftstoff-Pumpe ausgestoßen wird, zur Zufuhr-Öffnung 71 zugeführt. Der Kraftstoff, der der Zufuhr-Öffnung 71 zugeführt wird, wird über das Rückschlagventil 72 zur Kraftstoff-Speicher- Kammer 66 geführt, die einen Durchtritt nur von der Kraftstoff- Zufuhr-Öffnung 71 zur Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 hin gestattet. Der Kraftstoff, der in die Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 geführt wird, wird um das vordere Ende der Nadel 61 durch die Kraftstoff-Leitung 73 einerseits geführt und wird andererseits über das Rückschlagventil 74, das nur den Durchtritt von der Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 zur Kammer 70 mit veränderlichem Fassungsvermögen gestattet, zu der Kammer 70 mit veränderlichem Fassungsvermögen geführt. Der Kraftstoff, der in das Innere der Kammer 70 mit veränderlichem Fassungsvermögen geführt wird, wird zur Oberseite 75 des Kolbens 65 geführt, und daher wirkt der Kraftstoff-Druck in der Kammer 70 mit veränderlichem Fassungsvermögen auf die obere Fläche 75 der Stange 65.
Fig. 5 zeigt das vordere Ende der Nadel 61. Wie dies in der Fig. 5 gezeigt ist, besitzt der Ventil-Körper 62 der Nadel 61 eine konisch geformte Führungs-Fläche 62a für den eingespritzten Kraftstoff, welche Führungs-Fläche 62a für den eingespritzten Kraftstoff normalerweise auf der Sitzfläche 76 aufsitzt, und zwar durch die Federkraft der Druckfeder 64 (Fig. 4). Zu diesem Zeitpunkt wird die Kraftstoff-Einspritzung aus der Kraftstoff- Einspritzdüse 10 zu Ende gebracht. Wenn Kraftstoff aus der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 einzuspritzen ist, wird dem piezoelektrischen Element 68 eine Ladung erteilt. Wenn das piezoelektrische Element 68 geladen ist, dehnt sich das piezoelektrische Element 68 in der Axialrichtung aus, so daß der Kolben 67 nach unten bewegt wird. Wenn der Kolben 67 dazu gebracht wird, sich nach unten zu bewegen, steigt der Kraftstoff- Druck in der Kammer 70 mit veränderlichem Fassungsvermögen an, und dementsprechend wird die Stange 65 nach unten gestoßen, so daß sich die Nadel 61 nach unten bewegt und sich der Ventil- Körper 62 von der Sitzfläche 76 weg bewegt. Als ein Ergebnis wird der Kraftstoff innerhalb der Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 zwischen dem Ventil-Körper 61 und der Sitzf läche 76 hindurch eingespritzt.
Falls als nächstes die Ladung, die dem piezoelektrischen Element 68 erteilt worden ist, aufgehoben wird, zieht sich das piezoelektrische Element 68 in der Axialrichtung zusammen, und der Kolben 67 bewegt sich nach oben. Als ein Ergebnis fällt der Kraftstoff-Druck in der Kammer 70 mit veränderlichem Fassungsvermögen ab, so daß sich die Stange 65 und die Nadel 61 zufolge der Federkraft der Druckfeder 64 nach oben bewegt, und die Führungs-Fläche 62a des Ventil-Körpers 62 für den eingespritzten Kraftstoff sitzt wiederum auf der Sitzfläche 76 auf. Dementsprechend wird der Einspritz-Vorgang für den Kraftstoff zu Ende gebracht.
Wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, wird dann, wenn der Kraftstoff eingespritzt wird, der eingespritzte Kraftstoff F durch die Führungs-Fläche 62a des Ventil-Körpers 62 für den eingespritzten Kraftstoff geführt und sprüht von dem vorderen Ende der Nadel 61, d.h., von der Düsen-Öffnung der Kraftstoff- Einspritzdüse 10 in einem dünnen konischen Film. In der Ausführungsvariante, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Kraftstoff-Einspritzdüse 10 in der Mitte des oberen Abschnitts des Brennraums 5 angeordnet, und daher wird in der Ausführungsvariante, die in Fig. 1 gezeigt ist, der Kraftstoff F so eingespritzt, daß er in einem dünnen konischen Film von der Mitte des oberen Abschnittes des Brennraums 5 zu dem Bereich rund um den Brennraum 5 hin sprüht.
Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsvariante der Kraftstoff-Einspritzdüse 10. In dieser Ausführungsvariante wird im Gegensatz zu Fig. 5 die Kraftstoff-Einspritzung durchgeführt, wenn sich die Nadel 61' hebt. Wenn dieser Typ von Kraftstoff- Einspritzdüse 10 verwendet wird, ist ein Führungs-Glied 77 zum Sprühen des eingespritzten Kraftstoff F in einem dünnen konischen Film an dem vorderen Ende der Nadel 61' angebracht.
Das piezoelektrische Element 68 der Kraftstoff- Einspritzdüse 10 wird auf der Basis der Ausgangs-Signale einer elektronischen Steuer-Einheit 80 gesteuert, die in Fig. 1 gezeigt ist. Die elektronische Steuer-Einheit 80 setzt sich aus einem digitalen Computer zusammen und ist mit einem ROM (Nur-Lese- Speicher) 82, einem RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) 83, einer CPU (Mikroprozessor) 84, einem Eingangs-Anschluß 85, einem Ausgangs-Anschluß 86 versehen, welche durch einen bidirektionalen Bus 81 miteinander verbunden sind. Das Gaspedal 12 besitzt einen Last-Sensor 90, um eine Ausgangs-Spannung zu erzeugen, die proportional zu dem Ausmaß des Niederdrückens des Gaspedals 12 ist, welche Ausgangs-Spannung durch einen AD-Wandler 87 in den Eingangs-Anschluß 85 eingegeben wird. Weiters ist ein Kurbelwinkel-Sensor 91 zur Erzeugung eines Ausgangs-Pulses jedes Mal dann, wenn sich der Motor um einen vorbestimmten Kurbelwinkel dreht, mit dem Eingangs-Anschluß 85 verbunden. Der augenblickliche Kurbelwinkel und die Motor-Drehzahl werden aus der Ausgabe des Kurbelwinkel-Sensors 91 berechnet. Andererseits ist der Ausgangs-Anschluß 86 mit dem piezoelektrischen Element 68 der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 über eine Treiber-Schaltung 88 verbunden.
Als nächstes wird eine Erklärung des epochalen neuen Verbrennungs-Verfahrens gegeben werden, das das Ausmaß der Erzeugung von Ruß und von NOx auf im wesentlichen null reduziert, während auf die Fig. 7 bis Fig. 10 Bezug genommen wird. Es ist festzuhalten, daß für dieses neue Verbrennungs-Verfahren eine Erklärung gegeben werden wird, die sich auf die Zeiten des Betriebs mit großer Last konzentriert, wenn es am wahrscheinlichsten ist, daß die Erzeugung von Ruß und NOx auftritt.
In der Vergangenheit war es schwierig, Ruß und NOx zu reduzieren, insofern, als die Einspritzung durchgeführt wurde, indem der Kraftstoff zerstäubt wurde, um eine mittlere Teilchengröße der Kraftstoff-Partikel von nicht mehr als 50 µm zu ergeben, unabhängig, wie der Einspritz-Zeitpunkt festgesetzt wurde und unabhängig, wie der Kraftstoff-Einspritz-Druck eingestellt wurde. Insbesonders war es unmöglich, die Erzeugung von Ruß und NOx auf im wesentlichen null zu reduzieren. Dies hatte seinen Grund darin, daß grundsätzliche Probleme bei den herkömmlichen Verbrennungs-Verfahren bestanden. Das heißt, es können zwei Hauptfaktoren betrachtet werden, die die gleichzeitige Verringerung von Ruß und NOx bei dem herkömmlichen Verbrennungs-Verfahren schwierig machen. Einer dieser Faktoren bestand darin, daß ein Teil des Kraftstoffes unmittelbar verdampft wird, wenn der Kraftstoff eingespritzt wird, und dieser verdampfte Kraftstoff bewirkt eine schnelle Verbrennung, die frühzeitig beginnt. Der andere Faktor besteht darin, daß dann, wenn es versucht wird, den Kraftstoff einheitlich über den gesamten Innenraum des Brennraums zu verteilen, sich der Kraftstoff tatsächlich nicht gleichmäßig über den gesamten Innenraum des Brennraums verteilt, sondern sich letztlich innerhalb eines begrenzten Bereichs in dem Brennraum sammelt oder sogar dann, falls sich der Kraftstoff im wesentlichen über den gesamten Innenraum des Brennraums verteilt, werden letztlich ein allzusehr angereicherter Bereich und ein magerer Bereich miteinander vermischt.
Das heißt, wie dies oben erklärt worden ist, falls die Verbrennung unmittelbar nach dem Beginn der Einspritzung beginnt, dann strömt der folgende eingespritzte Kraftstoff in die Verbrennungs-Flamme, und daher wird dieser eingespritzte Kraftstoffletztlich in einem Zustand des Luftmangels verbrannt, und dementsprechend wird Ruß erzeugt. Falls weiters ein allzusehr angereichertes Luft-Kraftstoff-Gemisch in dem Brennraum gebildet wird, wird die Verbrennung dieses angereicherten Luft-Kraftstoff- Gemisches ebenso die Erzeugung von Ruß bewirken. Falls sich andererseits der eingespritzte Kraftstoff in einem begrenzten Bereich in dem Brennraum sammelt und dieser gesammelte Kraftstoff verbrannt wird, wird die Verbrennungs-Temperatur innerhalb dieses Bereichs höher werden als die Verbrennungs-Temperatur im Fall der Verteilung des Kraftstoffs im Brennraum, und dementsprechend wird NOx erzeugt werden. Falls weiters der eingespritzte Kraftstoff schnell und frühzeitig verbrannt wird und der Kraftstoff-Druck schnell ansteigt, wird die Verbrennungs-Temperatur weiter ansteigen, und dementsprechend wird weiteres NOx er zeugt werden.
Daher haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung überlegt, daß es möglich wäre, gleichzeitig den Ruß und das NOx zu reduzieren, indem diese beiden Faktoren eliminiert werden, d.h., daß die frühe Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffs nach der Einspritzung verhindert wird und eine gleichmäßige Verteilung des eingespritzten Kraftstoffs im Brennraum gesichert wird. Sie haben wiederholte Versuche durchgeführt, und als ein Ergebnis entdeckt, daß die Menge des erzeugten Rußes und NOx im wesentlichen auf null reduziert werden könnte, indem die mittlere Partikelgröße des eingespritzten Kraftstoffs erheblich vergrößert wird im Vergleich zur mittleren Partikelgröße, die beim herkömmlichen Verbrennungs-Verfahren verwendet wird, und indem der Einspritz-Zeitpunkt beträchtlich vorverlegt wird in bezug auf den Einspritz-Zeitpunkt, der üblicherweise beim herkömmlichen Verbrennungs-Verfahren verwendet wird. Dies wird in der Folge erklärt werden.
Die Kurve in Fig. 7 zeigt die Änderungen des Drucks P in dem Brennraum 5, die gerade durch die Druckwirkung des Kolbens 4 verursacht wird. Wie dies aus der Fig. 7 verstanden werden wird, steigt der Druck P im Brennraum 5 nach Erreichen von 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes scharf an. Dies ist unabhängig vom Öffnungs-Zeitpunkt des Einlaßventils 6. Unabhängig vom Typ der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung ändert sich der Druck P im Brennraum 5, so wie dies in Fig. 7 gezeigt ist.
Die Kurve, die durch die durchgezogene Linie in Fig. 8 gezeigt ist, zeigt die Siedetemperatur des Kraftstoffs, d.h., den Siedepunkt T bei den verschiedenen Kurbelwinkeln. Falls der Druck P im Brennraum 5 ansteigt, steigt der Siedepunkt T des Kraftstoffes mit diesem, so daß der Siedepunkt T des Kraftstoffes auch dann scharf ansteigt, wenn 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes erreicht sind. Andererseits zeigen die unterbrochenen Linien in Fig. 8 die Unterschiede der Änderungen der Temperatur der Kraftstoff-Partikel durch die Unterschiede der Partikelgröße der Kraftstoff-Partikel unmittelbar nach der Einspritzung. Die Temperatur der Kraftstoff- Partikel unmittelbar nach der Einspritzung ist niedriger als der Siedepunkt T, der durch den Druck zu diesem Zeitpunkt bestimmt ist. Als nächstes erhalten die Kraftstoff-Partikel die Wärme von der Umgebung und ihre Temperatur steigt an. Die Rate des Temperaturanstiegs der Kraftstoff-Partikel zu diesem Zeitpunkt wird schneller, je kleiner die Partikelgröße ist.
Das heißt, falls angenommen wird, daß die Partikelgröße der Kraftstoff-Partikel von 20 µm bis 50 µm beträgt, steigt die Temperatur der Kraftstoff-Partikel schnell nach der Einspritzung an und erreicht den Siedepunkt T bei einem Kurbelwinkel weit vor dem oberen Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes. Weiters erreicht, wie dies aus der Fig. 8 verstanden werden wird, auch dann, wenn die Partikelgröße der Kraftstoff-Partikel 200 µm beträgt, die Temperatur der Kraftstoff-Partikel den Siedepunkt T, bevor der obere Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes erreicht ist, und eine schnelle Verdampfungswirkung des Kraftstoffes wird durch das Sieden begonnen. Wenn die schnelle Verdampfungswirkung des Kraftstoffes begonnen wird, bevor der obere Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes auf diese Art erreicht ist, findet eine explosive Verbrennung statt, und zwar zufolge des Kraftstoffes, der zu diesem Zeitpunkt verdampft ist, und dementsprechend wird eine große Menge von Ruß und NOx erzeugt, wie dies zuvor erwähnt worden ist.
Falls im Gegensatz dazu die Größe der Kraftstoff-Partikel größer wird als etwa 500 µm, dann wird die Anstiegsrate der Temperatur der Kraftstoff-Partikel kleiner, so daß die Temperatur der Kraftstoff-Partikel den Siedepunkt T nicht erreichen wird, bevor der obere Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes oder ein späterer Punkt erreicht ist. Indem daher die Größe der Kraftstoff-Partikel grßer als etwa 500 µm gemacht wird, findet keine schnelle Verdampfungswirkung des Kraftstoffes zufolge des Siedens statt, bevor der obere Totpunkt TDC des Verdichtungs- Hubes erreicht ist, und die schnelle Verdampfungswirkung des Kraftstoffes zufolge des Siedens wird am oberen Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes begonnen oder nachdem der obere Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes erreicht worden ist.
Es ist festzuhalten, daß der Kraftstoff tatsächlich verschiedene Komponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten enthält und daß dann, wenn man vom "Siedepunkt" des Kraftstoffes spricht, eine gewisse Anzahl von Siedepunkten vorliegt. Wenn daher der Siedepunkt des Kraftstoffes betrachtet wird, kann man sagen, daß es vorzuziehen wäre, den Siedepunkt der Hauptkomponente des Kraftstoffes zu betrachten. Weiters ist die Größe des eingespritzten Kraftstoffes niemals vollständig einheitlich, so daß dann, wenn die Partikelgröße des eingespritzten Kraftstoffes betrachtet wird, es vorzuziehen wäre, die mittlere Partikelgröße des eingespritzten Kraftstoffes zu betrachten. Falls die Betrachtung auf diese Weise erfolgt, indem die mittlere Partikelgröße des eingespritzten Kraftstoffes auf eine Größe gebracht wird, so daß die Temperatur der Kraftstoff- Partikel mittlerer Größe den Siedepunkt T der Hauptkomponente des Kraftstoffes, der durch den Druck zu diesem Zeitpunkt bestimmt ist, ungefähr am oberen Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes oder nach dem oberen Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes erreicht, dann wird keine schnelle Verdampfung des Kraftstoffes erfolgen, die durch das Sieden der Kraftstoff-Partikel verursacht ist, bis nach der Einspritzung, wenn ungefähr der obere Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes erreicht wird, und die schnelle Verdampfung, die durch das Sieden der Kraftstoff-Partikel verursacht ist, wird auftreten, nachdem der obere Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes erreicht worden ist. Es ist festzuhalten, daß in diesem Fall die schnelle Verdampfungswirkung des Kraftstoffes, die durch das Sieden verursacht wird, im wesentlichen gleichzeitig bei allen Kraftstoff-Partikeln begonnen wird, und der Kraftstoff von allen Kraftstoff-Partikeln wird gezündet und insgesamt gleichzeitig zu verbrennen begonnen. Falls zu diesem Zeitpunkt, so wie dies in Fig. 9A gezeigt ist, die Kraftstoff-Partikel einen Teil des Brennraums 5 einnehmen, dann würde ein Luftmangel um die einzelnen Kraftstoff-Partikel herum bestehen, so daß die Kraftstoff-Partikel in einem Zustand von Luftmangel zur Verbrennung gebracht werden würden, und dementsprechend würde Ruß produziert werden. Um die Erzeugung von Ruß auf diese Weise zu verhindern, wenn der Kraftstoff gezündet wird, ist es bevorzugt, daß alle Kraftstoff-Partikel den gesamten Innenraum des Brennraums 5 einnehmen, so wie dies in Fig. 9B gezeigt ist, wobei ein ausreichender Abstand zwischen den Kraftstoff-Partikeln besteht, so daß ausreichend Luft rund um die Kraftstoff-Partikeln zum Zeitpunkt der Zündung des Kraftstoffes vorliegt.
Um die Kraftstoff-Partikel über den gesamten Innenraum des Brennraums 5 zum Zeitpunkt der Zündung verteilt zu haben, so wie dies in Fig. 9B gezeigt ist, muß der Kraftstoff von der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 eingespritzt werden, wenn der Druck P im Brennraum 5 niedrig ist. Das heißt, falls der Druck P im Brennraum 5 hoch wird, wird der Luftwiderstand größer und die Flugstrecke des eingespritzten Kraftstoffes wird kürzer, und dementsprechend können sich zu diesem Zeitpunkt die Kraftstoff- Partikel nicht über den gesamten Innenraum des Brennraums 5 verteilen, so wie dies in Fig. 9A gezeigt ist. Wie dies zuvor erklärt worden ist, steigt der Druck P im Inneren des Brennraums 5 schnell an und wird auf einmal sehr groß, nachdem 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes erreicht worden sind, und falls Kraftstoff eingespritzt wird, nachdem 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes erreicht worden sind, dann werden sich die Kraftstoff-Partikel nicht in ausreichender Weise im Brennraum 5 verteilen, so wie dies in Fig. 9A gezeigt ist. Im Gegensatz dazu ist der Druck P im Inneren des Brennraums 5 klein, bevor ein Winkel von 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes erreicht ist, und falls daher die Kraftstoff-Einspritzung durchgeführt wird, bevor der Winkel von 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs- Hubes erreicht worden ist, werden sich die Kraftstoff-Partikel über den gesamten Innenraum des Brennraums 5 zum Zeitpunkt der Zündung verteilen, so wie dies in Fig. 9B gezeigt ist. Dies kann durch Versuche bestitigt werden. Es ist festzuhalten, daß in diesem Fall, so lange der Zeitpunkt der Einspritzung von Kraftstoff auf einem Punkt vor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes festgelegt wird, entweder der Verdichtungs-Hub oder der Ansaug-Hub annehmbar ist.
Indem auf diese Weise die Einspritzung von Kraftstoff vor dem Winkel von 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes durchgeführt wird, und indem die mittlere Partikelgröße des Kraftstoffes, der zu diesem Zeitpunkt eingespritzt wird, auf eine Größe gebracht wird, wodurch die Temperatur der Kraftstoff-Partikel mittlerer Größe den Siedepunkt T der Hauptkomponente des Kraftstoffes, der durch den Druck zu diesem Zeitpunkt bestimmt ist, etwa am oberen Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes oder nach dem oberen Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes erreicht, wird keine schnelle Verdampfung des Kraftstoffes stattfinden, indem die Kraftstoff-Partikel nach der Einspritzung sieden, bis etwa der obere Totpunkt TDC erreicht ist, und die schnelle Verdampfung des Kraftstoffes zufolge des Siedens der Kraftstoff-Partikel wird beginnen, nachdem der obere Totpunkt TDC erreicht worden ist. Zu diesem Zeitpunkt werden sich die Kraftstoff-Partikel über den gesamten Innenraum des Brennraums 5 verteilen, so wie dies in Fig. 9B gezeigt ist.
Falls die Verdampfung des Kraftstoffes von den Kraftstoff-Partikeln begonnen wird, kann der Kraftstoff, der von den Kraftstoff-Partikeln verdampft ist, gleichzeitig gezündet und verbrannt werden. Zu diesem Zeitpunkt ist ausreichend Luft rund um die einzelnen Kraftstoff-Partikel gegeben, so daß Ruß nicht erzeugt wird, und die weitere Verbrennung wird über den gesamten Brennraum 5 durchgeführt, so daß die Verbrennungs-Temperatur niedrig wird und dementsprechend kein NOx erzeugt wird. Falls weiters ein Zeitunterschied beim Beginn der Verbrennung der einzelnen Kraftstoff-Partikel besteht, dann heizt die Verbrennungswärme des zuvor verbrannten Kraftstoffes das Verbrennungs-Gas des später verbrannten Kraftstoffes auf, so daß die Verbrennungs-Gas-Temperatur größer wird und letztlich NOx erzeugt werden wird. Wie dies jedoch zuvor erwähnt worden ist, beginnt der Kraftstoff, der von den einzelnen Kraftstoff- Partikeln verdampft ist, im wesentlichen zur gleichen Zeit verbrannt zu werden, so daß in diesem Sinn auch keine Erzeugung von NOx vor liegt.
Fig. 10 zeigt die Ergebnisse von Versuchen zum Ausmaß der Erzeugung von Ruß, d.h. Rauch, und zum Ausmaß der Erzeugung von NOx in dem Fall eines Kraftstoff-Einspritz-Druckes von 20 MPa, einer Motor-Betriebs-Drehzahl von 100 UpM, einer Menge des eingespritzten Kraftstoffes von 15 mm³ und unterschiedlichen Einspritz-Zeitpunkten. Falls der Kraftstoff-Einspritz-Zeitpunkt auf einen Winkel vor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes festgesetzt wird, wurde in überraschender Weise festgestellt, daß überhaupt kein Rauch oder NOx erzeugt wurde
Wie dies aus der obigen Erklärung verständlich ist, liegt das neue Verbrennungs-Verfahren, das durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung entwickelt worden ist, darin, die Kraftstoff-Einspritzung vor einem Winkel von 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes zu beginnen und die mittlere Partikelgröße des Kraftstoffes, der zu diesem Zeitpunkt eingespritzt wird, auf eine Größe zu bringen, wodurch die Temperatur der Kraftstoff-Partikel mittlerer Größe den Siedepunkt T der Hauptkomponente des Kraftstoffes, der durch den Druck zu diesem Zeitpunkt bestimmt ist, etwa am oberen Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes oder nach dem oberen Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes erreicht. Weiters ist es durch die Verwendung dieses neuen Verbrennungs-Verfahrens möglich, das Ausmaß der Erzeugung von Ruß und NOx auf nahezu null zu bringen.
Bei der Durchführung dieses neuen Verbrennungs-Verfahrens ist der wichtige Punkt, daß die relativ großen Kraftstoff- Partikel dazu gebracht werden, sich über den gesamten Brennraum 5 zu verteilen, wobei ein gewisser Abstand zwischen den Kraftstoff- Partikeln vorliegt. Wenn man dies daher aus der Sicht der Bauteile betrachtet, spielt daher die Kraftstoff-Einspritz- Vorrichtung und insbesonders die Kraftstoff-Einspritzdüse 10 eine wichtige Rolle bei diesem neuen Verbrennungs-Verfahren. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kraftstoff-Einspritzdüse 10, die für die Durchführung dieses neuen Verbrennungs-Verfahrens geeignet ist. Andererseits zeigt Fig. 11 ein Zeitdiagramm für die Steuerung der Kraftstoff-Einspritzung. Dementsprechend wird eine Erklärung eines neuen Verbrennungs-Verfahrens von Kraftstoff, der durch die Kraftstoff-Einspritzdüse 10 zerstäubt worden ist, gegeben, indem auf die Fig. 11 Bezug genommen wird.
Wie dies zuvor erwähnt worden ist, wird dann, wenn ein Treiber-Signal des piezoelektrischen Elements 68 erzeugt wird und das piezoelektrische Element 68 geladen wird, die Kraftstoff- Einspritzung begonnen. Wie dies in der Fig. 11 gezeigt ist, wird in der Ausführungsvariante entsprechend der vorliegenden Erfindung unter Druck gesetzter Kraftstoff, der von der Kraftstoff-Pumpe 11 beispielsweise 180 Grad vor dem Einspritz- Zeitpunkt ausgestoßen wird, zu der Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 zugeführt. Als ein Ergebnis wird der Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 zum Steigen gebracht. Der Kraftstoff-Druck im Inneren der Kraftstoff- Speicher-Kammer 66 beträgt zu diesem Zeitpunkt etwa 20 MPa. Als nächstes, gerade ein wenig vor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes, wird ein Treiber-Signal des piezoelektrischen Elements 68 erzeugt, wodurch das piezoelektrische Element 68 geladen wird. Wenn das piezoelektrische Element 68 geladen wird, geht die Nadel 61 nach unten, und der Kraftstoff in der Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 wird in den Brennraum 5 ausgestoßen.
Der Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff-Speicher-Karnmer 66 beträgt etwa 20 MPa, was relativ niedrig ist. Andererseits ist das Ausmaß des Hubes der Nadel 61 größer eingestellt als allgemein in Kraftstoff-Einspritzdüsen. Wenn daher die Nadel 61 nach unten geht, wird Kraftstoff mit einer großen Partikelgröße plötzlich vom vorderen Ende der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 eingespritzt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Druck im Brennraum 5 gering, und daher sprüht der eingespritzte Kraftstoff bis zum Rand des Brennraums 5. Wenn die Kraftstoff-Einspritzung begonnen wird, so wie dies in Fig. 11 gezeigt ist, fällt der Druck in der Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 ab, und dementsprechend wird die Kraftstoff-Einspritz-Rate am Anfang der Kraftstoff-Einspritzung am höchsten sein und nimmt dann allmählich ab. Wenn der Druck in der Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 abfällt, dann fällt die Geschwindigkeit des Einspritzens von Kraftstoff vom vorderen Ende der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 ab. Dementsprechend folgt der Kraftstoff, der später eingespritzt wird, nicht dem Kraftstoff, der früher eingespritzt worden ist, und dementsprechend sind die Kraftstoff-Partikel im Brennraum 5 einheitlich verteilt. Als nächstes wird, so wie dies in Fig. 11 gezeigt ist, die Einspritzung des Kraftstoffes beendet, bevor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes erreicht werden.
Wie dies zuvor erwähnt worden ist, wird der Ventil- Öffnungs-Druck des Ventil-Körpers 46 der Kraftstoff-Einspritzdüse 46, die an der Einspritzpumpe 11 angebracht wird, um so höher, je höher die Motor-Drehzahl N ist. Daher wird der Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 dann, wenn Kraftstoff von der Kraftstoff-Pumpe 11 in die Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 zugeführt wird, höher, je höher die Motor-Drehzahl N ist, so wie dies in Fig. 12A gezeigt ist. Das heißt, es braucht eine Zeit für den eingespritzten Kraftstoff, sich zum Rand des Brennraums 5 hin zu verteilen, und auf der anderen Seite wird die Zeit zwischen dem Punkt, an dem die Einspritzung durchgeführt wird und dem Punkt, an dem die Zündung auftritt, kürzer, um so größer, je größer die Drehzahl N des Motors ist. Dementsprechend wird der Kraftstoff-Druck innerhalb der Kraftstoff-Speicher-Kammer 66 größer gemacht, je größer die Drehzahl N des Motors ist, und der eingespritzte Kraftstoff wird schnell im Brennraum 5 verteilt, je größer die Drehzahl N des Motors ist. Auf diese Weise sind zum Zeitpunkt der Zündung die Kraftstoff-Partikel einheitlich im Brennraum 5 verteilt, wie dies in Fig. 9B gezeigt ist, und zwar unabhängig von der Drehzahl des Motors. Es ist festzuhalten, daß es in diesem Fall anstelle der Steuerung des Kraftstoff- Einspritz-Drucks möglich ist, den Einspritz-Zeitpunkt bei einem Ansteigen der Drehzahl N des Motors vorzuverlegen.
Weiters wird bei der Ausführungsvariante entsprechend der vorliegenden Erfindung, wie sie in Fig. 12B gezeigt ist, der Zeitpunkt ΘS des Beginns der Kraftstoff-Einspritzung um so mehr vorverlegt, je größer das Ausmaß L des Niederdrückens des Gaspedals 12 ist, das heißt, je größer die Motorlast ist. Weiters wird der Einspritz-Zeitpunkt ΘT im vorhinein im ROM 82 in der Form eines Kennfelds abgespeichert, das in der Fig. 12C gezeigt ist, und zwar als eine Funktion des Ausmaßes L des Niederdrückens des Gaspedals 12 und der Drehzahl N des Motors.
Die Steuerung der Kraftstoff-Einspritzung aus der Kraftstoff-Einspritzdüse 10 wird durch das Programm durchgeführt, das in der Fig. 13 gezeigt ist. Es ist festzuhalten, daß dieses Programm durch ein Steuer-Signal zu jedem vorbestimmten Kurbelwinkel durchgeführt wird. Indem zunächst auf Fig. 13 Bezug genommen wird, wird in Schritt 100 der Einspritz-Beginn-Zeitpunkt ΘS aus der Beziehung berechnet, die in Fig. 12B gezeigt ist. Als nächstes wird in Schritt 101 die Einspritz-Zeit θT aus der Beziehung berechnet, die in Fig. 12C gezeigt ist. Als nächstes wird in Schritt 102 der Einspritz-End-Zeitpunkt θE aus dem Einspritz-Beginn-Zeitpunkt θT und aus der Einspritz-Zeit θT berechnet. Als nächstes wird in Schritt 103 ein Treiber-Signal, das das piezoelektrische Element 68 antreibt, erzeugt, um das piezoelektrische Element 68 zum Einspritz-Beginn-Zeitpunkt θS zu laden und um das piezoelektrische Element 68 zum Zeitpunkt θE des Endes des Einspritz-Vorganges zu entladen.
Fig. 14 bis Fig. 17 zeigen eine andere Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung. Es ist festzuhalten, daß bei dieser Ausführungsvariante Bauteile ähnlich denen der Ausführungsvariante, die in den Fig. 1 bis Fig. 5 gezeigt ist, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Wie dies in den Fig. 14 und 15 gezeigt ist, sind bei dieser Ausführungsvariante ein einzelnes Einlaßventil 6 und ein einzelnes Auslaßventil 8 vorgesehen. Die Kraftstoff-Einspritzdüse 10 ist in der Nähe des Brennraums 5 angeordnet. Andererseits setzt sich bei dieser Ausführungsvariante, wie dies in den Fig. 16 und Fig. 17 gezeigt ist, die Düsen-öffnung 78 der Kraftstoff- Einspritzdüse 10 aus einem Schlitz zusammen, der einen kreissektorförmigen Querschnitt aufweist. Wenn die Nadel 61" angehoben wird, wird der Kraftstoff F zur Einspritzung gebracht, und zwar als sektorartiger Film über den gesamten Brennraum 5.
Eine weitere Ausführungsvariante wird in der Fig. 18 gezeigt werden. In dieser Ausführungsvariante werden Bauteile ähnlich denen von Fig. 1 durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
In dieser Ausführungsvariante ist die Kraftstoff- Einspritzdüse 110 in der Mitte der Innenwand des Zylinderkopfs 3 angeordnet. Der Körper 111 der Kraftstoff-Einspritzdüse 110 ist an seinem vorderen Ende mit einer Düsen-Öffnung 112 versehen, und er ist in seinem Inneren mit einer Nadel 113 versehen, um das Ausspritzen von Kraftstoff von der Düsen-Öffnung 10 zu steuern. An der oberen Fläche der Nadel 113 ist einen Gegendruck-Kammer 114 gebildet, in welcher Gegendruck-Kammer 114 eine Druckfeder 115 eingefügt ist, um die Nadel 113 zu jedem Zeitpunkt in der Richtung der Düsen-öffnung 112 vorzuspannen. Um die Nadel 113 ist ein Kraftstoff-Vorratsbehälter 116 gebildet, welcher Kraftstoff- Vorratsbehälter 116 über die Kraftstoff-Leitung 117 mit einer Kraftstoff-Vorratskammer 118 mit großem Fassungsvermögen verbunden ist, die eine Ringform aufweist. Andererseits ist innerhalb des Körpers 111 der Kraftstoff-Einspritzdüse gleitbar ein Kolben 120 eingefügt, der durch das piezoelektrische Element 119 angetrieben ist. Die Druck-Steuer-Kammer 121 wird durch die vordere Stirnfläche dieses Kolbens 120 gebildet. Die Druck- Steuer-Kammer 121 ist über die Kraftstoff-Leitung 122 mit der Gegendruck-Kammer 114 verbunden. Wie dies aus Fig. 18 ersehen werden kann, ist die Kraftstoff-Speicher-Kammer 118 rund um die Kraftstoff-Leitung 122 gebildet, und daher ist die Kraftstoff- Speicher-Kammer 118 in der Nähe der Nadel 113 angeordnet.
Die Kraftstoff-Speicher-Kammer 118 ist über eine Kraftstoff-Zufuhr-Leitung 123 mit einer Kraftstoff-Verteilungs- Leitung 124 verbunden. In das Innere dieser Kraftstoff- Verteilungs-Leitung 124 wird Kraftstoff von der vom Motor angetriebenen Kraftstoff-Pumpe 125 zugeführt. Kraftstoff, der in der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 zugeführt wird, wird verteilt und der Kraftstoff-Speicher-Kammer 118 der Kraftstoff- Einspritzdüse 110, die für jeden Zylinder vorgesehen ist, zugeführt.
Die Kraftstoff-Pumpe 125 ist mit einer Nockenwelle 126 versehen, die mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist und die synchron mit der Nockenwelle des Motors gedreht wird, mit einem Kolben 128, der durch den Nocken 127 angetrieben wird, der auf der Nockenwelle 126 gebildet ist, und mit einer Kraftstoff- Druck-Kammer 129, die durch die obere Fläche des Kolbens 128 begrenzt ist. Diese Kraftstoff-Druck-Kammer 129 ist mit der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 durch eine Kraftstoff-Ausstoß- Leitung 130 verbunden. Innerhalb der Kraftstoff-Verteilungs- Leitung 124 ist ein Rückschlagventil 131 angeordnet, das einen Durchtritt nur von der Kraftstoff-Druck-Kammer 129 zu der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 erlaubt. Weiters ist die Kraftstoff-Pumpe 125 mit einer Kraftstoff-Zufuhr-Öffnung 132 und mit einer Kraftstoff-überlauf-Öffnung 133 versehen. Die Kraftstoff-Zufuhr-Öffnung 132 ist durch eine angetriebene Kraftstoff-Pumpe 134 mit einem Kraftstoff-Behälter 135 verbunden. In der Kraftstoff-Überlauf-Öffnung 133 ist ein Überlauf-Ventil 137 angeordnet, das durch eine Spule 136 gesteuert wird, um es zu öffnen und zu schließen. Weiters ist die Kraftstoff-Verteilungs- Leitung 124 durch ein Rücklauf-Steuer-Ventil 138 mit dem Kraftstoff-Behälter 135 verbunden. In der Kraftstoff-Verteilungs- Leitung 124 ist ein Druck-Sensor 139 angebracht, der eine Ausgangs-Spannung erzeugt, die proportional zu dem Kraftstoff- Druck innerhalb der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 ist. Die Ausgangs-Spannung des Kraftstoff-Sensors 139 wird in den Eingangs-Anschluß 85 über einen entsprechenden AD-Wandler 87 eingegeben. Andererseits ist der Ausgangs-Anschluß 86 über die entsprechenden Treiber-Schaltungen 88 mit dem piezoelektrischen Element 119 der Kraftstoff-Einspritzdüse 110, mit der Spule 136 zum Antrieb des Überlauf-Ventils 137 und mit einem Rücklauf- Steuer-Ventil 138 verbunden.
In dieser Ausführungsvariante wird der Kraftstoff-Druck innerhalb der Kraftstoff-Speicher-Kammer 118, d.h., der Kraftstoff-Druck innerhalb der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124, in Übereinstimmung mit der Menge des für die Einspritzung benötigten Kraftstoffes gesteuert. Fig. 19 zeigt den Ziel- Kraftstoff-Druck P&sub0; innerhalb der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124. Wie dies aus Fig. 19 ersehen werden wird, steigt der Ziel- Kraftstoff-Druck P&sub0; um so stärker an, je größer das Ausmaß L des Niederdrückens des Gaspedals 12 ist, und er nimmt ab, je höher die Motor-Drehzahl ist. Das heißt, dieser Ziel-Kraftstoff-Druck P&sub0; wird höher, je größer die benötigte Einspritz-Menge ist. Es ist festzuhalten, daß die Beziehung zwischen dem Ziel-Kraftstoff- Druck P&sub0;, dem Ausmaß L des Niederdrückens des Gaspedals 12 und der Drehzahl N des Motors, die in Fig. 19 gezeigt ist, im vorhinein im ROM 82 abgespeichert ist.
Als nächstes wird eine Erklärung des Verfahrens zur Steuerung zur Ziel-Kraftstoff-Drucks P&sub0; in bezug auf die Fig. 20 und Fig. 21 gegeben werden.
Wenn in Fig. 18 der Kolben 128 nach unten geht und sich die Kraftstoff-Zufuhr-Öffnung 132 in die Kraftstoff-Druck-Kammer 129 hin öffnet, wird Kraftstoff von der Kraftstoff-Zufuhr-Öffnung zur Kraftstoff-Druck-Kammer 129 zugeführt. Als nächstes steigt der Kolben 128 nach oben und die Kraftstoff-Zufuhr-Öffnung 132 wird durch den Kolben 128 verschlossen. Wie dies aus Fig. 20 ersehen werden kann, wird zu diesem Zeitpunkt das Überlauf-Ventil 137 geöffnet, und wenn dementsprechend der Kolben 128 nach oben geht, wird der Kraftstoff in der Kraftstoff-Druck-Kammer 129 über die Kraftstoff-Überlauf-Öffnung 133 zum Kraftstoff-Behälter 135 rückgeführt. Wie dies in Fig. 20 gezeigt ist, wird als nächstes dann, wenn der Kolben 128 die Position Θ Grad (?) vor der Position erreicht, die den maximalen Hub des Kolbens 128 in Form des Kurbelwinkels der Nockenwelle ergibt, eine pulsartige Spannung an die Spule 136 ausgegeben, wodurch das Überlauf-Ventil 137 zum Schließen gebracht wird.
Falls das Überlauf-Ventil 137 zum Schließen gebracht wird, wird der Kraftstoff in der Kraftstoff-Druck-Kammer 129 durch den Kolben 128 unter Druck gesetzt. Falls der Kraftstoff- Druck in der Kraftstoff-Druck-Kammer 129 größer wird als der Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124, wird unter Druck gesetzter Kraftstoff in der Kraftstoff-Druck-Kammer 129 in die Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 zugeführt. Während dieser Zeit wird der Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff-Druck- Kammer 129 ein Hochdruck, und daher wird auch dann, wenn die Spule 136 nicht mehr angesteuert ist, das Überlauf-Ventil 137 in dem geschlossenen Zustand gehalten. Wenn als nächstes der Kolben 128 die maximal angehobene Stellung erreicht, wird die Zufuhr von Kraftstoff von der Kraftstoff-Druck-Kammer 129 in die Kraftstoff- Verteilungs-Leitung 124 gestoppt, und dann, wenn der Kolben 128 beginnt, sich nach unten zu bewegen, öffnet sich das überlauf- Ventil 137.
Falls in der Fig. 20 der Zeitpunkt Θ zur Ansteuerung der Spule 136 später festgesetzt wird, wird die Menge von Kraftstoff, die zur Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 gefördert wird, kleiner, und falls der Zeitpunkt 0 zur Ansteuerung der Spule 136 früher festgesetzt wird, wird die Menge von Kraftstoff, die zur Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 gefördert wird, größer. Dementsprechend ist es durch Steuerung des Zeitpunkts 0 zur Ansteuerung der Spule 136 möglich, den Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 zu steuern.
Fig. 21 zeigt das Steuer-Programm, um den Kraftstoff- Druck in der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 auf dem Ziel- Kraftstoff-Druck P&sub0; zu halten, welches Programm durch einen Steuer-Befehl zu jedem vorbestimmten Kurbelwinkel ausgeführt wird.
Indem auf Fig. 21 Bezug genommen wird, wird zunächst in Schritt 200 der Ziel-Kraftstoff-Druck P&sub0; in der Kraftstoff- Verteilungs-Leitung 124 aus der Beziehung berechnet, die in Fig. 19 dargestellt ist. Als nächstes wird in Schritt 201 bestimmt, ob der Kraftstoff-Druck P innerhalb der Kraftstoff-Verteilungs- Leitung 124, der durch den Druck-Sensor 139 erfaßt wird, größer ist als der Wert (P&sub0; + Δp), der erhalten wird, indem ein vorbestimmter Wert AP zu dem Ziel-Kraftstoff-Druck P&sub0; addiert wird. Wenn P ≤ P&sub0; + Δp, dann schreitet das Programm zu Schritt 202 vor, in dem bestimmt wird, ob der Kraftstoff-Druck P innerhalb der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 größer ist als der Ziel-Kraftstoff-Druck P&sub0;. Wenn P > P&sub0;, dann schreitet das Programm zu Schritt 203 vor, in dem ein vorbestimmter Wert α von dem Zeitpunkt Θ subtrahiert wird, um die Spule 136 vorzuspannen. Als ein Ergebnis wird der Zeitpunkt Θ verzögert, so daß der Kraftstoff-Druck P in der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 zum Sinken gebracht wird. Als nächstes schreitet das Programm zu Schritt 205 vor, in dem das Rücklauf-Steuer-Ventil 138 zum Schließen gebracht wird. Wenn andererseits P > P&sub0;, dann schreitet das Programm zu Schritt 204 vor, in dem der vorbestimmte Wert α zu dem Zeitpunkt Θ addiert wird, um die Spule vorzuspannen. Als nächstes schreitet das Programm zu Schritt 205 vor. Wenn auf diese Weise P ≤ P&sub0; + Δp, dann wird der Kraftstoff-Druck P in der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 so gesteuert, daß er der Ziel- Kraftstoff-Druck P&sub0; wird.
Falls im Gegensatz dazu im Schritt 201 beurteilt wird, daß P > P&sub0; + ΔP, d.h., wenn der Kraftstoff-Druck P in der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 beträchtlich größer ist als der Ziel-Kraftstoff-Druck P&sub0;, dann schreitet das Programm zu Schritt 206 vor, in dem das Rücklauf-Steuer-Ventil 138 zum Öffnen gebracht wird, und dann wird in Schritt 207 das Überlauf-Ventil 137 in dem geöffneten Zustand gehalten. Dementsprechend fällt zu diesem Zeitpunkt der Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff- Verteilungs-Leitung 124 schnell. Wenn P ≤ P&sub0; + Δp, dann schreitet das Programm zu Schritt 202 vor, in dem der Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 auf den Ziel-Kraftstoff- Druck P&sub0; gesteuert wird. Falls sich daher der Ziel-Kraftstoff- Druck P&sub0; ändert, dann ändert sich der Kraftstoff-Druck P in der Kraftstoff-Verteilungs-Leitung 124 dem folgend, und dementsprechend wird der Kraftstoff-Druck P in der Kraftstoff- Verteilungs-Leitung 124, d.h., der Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff-Speicher-Kammer 118, auf dem Ziel-Kraftstoff-Druck P&sub0; gehalten
Falls andererseits in Fig. 18 die Ladung des piezoelektrischen Elements 119 aufgehoben wird, zieht sich das piezoelektrische Element 119 in der Axialrichtung zusammen. Als ein Ergebnis fällt der Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff-Steuer- Kammer 121, so daß der Kraftstoff-Druck in der Gegendruck-Kammer 114 fällt, und dementsprechend hebt sich die Nadel 113 an, so daß die Kraftstoff-Einspritzung von der Düsen-Öffnung 112 begonnen wird. Wenn danach das piezoelektrische Element 119 geladen wird, dann dehnt sich das piezoelektrische Element 119 in der Axialrichtung aus. Als ein Ergebnis steigt der Kraftstoff-Druck in der Druck-Steuer-Kammer 121 an, so daß der Kraftstoff-Druck in der Gegendruck-Kammer 114 ansteigt, und dementsprechend bewegt sich die Nadel 113 nach unten, so daß die Kraftstoff-Einspritzung von der Düsen-Öffnung 112 gestoppt wird.
Auch in dieser Ausführungsvariante wird die Kraftstoff- Einspritzung von der Kraftstoff-Einspritzdüse 110 im Verdichtungs-Hub oder im Ansaug-Hub durchgeführt, und zwar an einem Punkt vor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes. Weiters wird in dieser Ausführungsvariante der Einspritz-Zeitpunkt im wesentlichen konstant gehalten, und zwar unabhängig vom Betriebszustand des Motors. Fig. 22 zeigt ein Beispiel eines Programmes zur Steuerung der Kraftstoff- Einspritzung aus der Kraftstoff-Einspritzdüse 110.
Indem auf die Fig. 22 Bezug genommen wird, wird zunächst in Schritt 300 der Einspritz-Beginn-Zeitpunkt (35 berechnet, und dann wird in Schritt 301 eine vorbestimmte Zeitdauer von dem Einspritz-Beginn-Zeitpunkt es abgezogen, wodurch der Einspritz- End-Zeitpunkt Θ berechnet wird. Als nächstes wird in Schritt 302 ein Treiber-Signal für das piezoelektrische Element 119 erzeugt, um so das piezoelektrische Element 119 am Einspritz-Beginn- Zeitpunkt ΘS zu entladen und um das piezoelektrische Element 119 am Einspritz-End-Zeitpunkt ΘE zu laden.
Fig. 23 zeigt das vordere Ende der Kraftstoff- Einspritzdüse 110. Wie dies aus Fig. 23 ersehen werden kann, ist der Aufbau des vorderen Endes der Kraftstoff-Einspritzdüse 110 ähnlich dem Aufbau des vorderen Endes der Kraftstoff- Einspritzdüse, die in Fig. 6 gezeigt ist.
Indem nun auf Fig. 23 Bezug genommen wird, ist am vorderen Ende der Kraftstoff-Einspritzdüse 110 eine kreisförmige Bohrung 150 gebildet, die sich in der Axialrichtung der Nadel 113 erstreckt. Am vorderen Ende der Nadel 113 ist einstückig ein Stangen-Abschnitt 151 mit kleinem Durchmesser gebildet, der durch die kreisförmige Bohrung 150 hindurchtritt und der in den Brennraum 5 hinaustritt. Weiters ist an dem vorderen Ende des Stangen-Abschnitts 151 mit kleinem Durchmesser eine Scheibe 152 befestigt, die sich aus einer kreisförmigen Platte zusammensetzt. In der Ausführungsvariante, die in Fig. 23 gezeigt ist, sind die Strömungs-Querschnitts-Fläche S&sub2; des ringförmigen Spalts, der zwischen der kreisförmigen Bohrung 150 und dem Stangen-Abschnitt 151 der Nadel mit kleinem Durchmesser gebildet ist, und die minimale Strömungs-Querschnitts-Fläche S&sub3; in dem Spalt, der zwischen der vorderen Stirnfläche der Kraftstoff-Einspritzdüse 110 und der Scheibe 152 gebildet ist, größer ausgebildet als die Strömungs-Querschnitts-Fläche S&sub1; des ringförmigen Spalts, der zwischen der Sitzfläche der Nadel 113 und dem Sitz-Abschnitt auf der Seite der Kraftstoff-Einspritzdüse 110 zu dem Zeitpunkt gebildet ist, in dem die Nadel 113 das Ventil öffnet.
Wenn, wie dies in Fig. 23 gezeigt ist, die Nadel 113 das Ventil öffnet, dann strömt der unter Druck gesetzte Kraftstoff in der Kraftstoff-Speicher-Kammer 118 durch die Kraftstoff-Leitung 117 und den Kraftstoff-Vorratsbehälter 116 in die kreisförmige Bohrung 150, und dann wird der Kraftstoff im wesentlichen rechtwinkelig zu der Strömungsrichtung durch die Scheibe umgelenkt, wie dies durch den gebogenen Pfeil F gezeigt ist, und er sprüht in einem dünnen schichtartigen Film in den Brennraum ein, wie dies durch F in Fig. 18 gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird, wie dies oben erklärt ist, zufolge der Beziehungen S&sub1; < S&sub2; und S&sub1; < S&sub3; der eingespritzte Kraftstoff in dem Abschnitt S&sub1; einer Drosselungswirkung unterworfen, d.h., zwischen dem Sitz-Abschnitt der Nadel 113 und dem Sitz-Abschnitt auf der Seite der Kraftstoff-Einspritzdüse 110, und er wird nicht irgendeiner wesentlichen Drosselungswirkung zwischen dem Inneren der kreisförmigen Bohrung 150 und der vorderen Stirnfläche der Kraftstoff-Einspritzdüse 110 und der Scheibe 152 unterworfen.
Falls auf diese Weise keine wesentliche Drosselungswirkung zwischen dem Inneren der kreisförmigen Bohrung 150 und der vorderen Stirnf läche der Kraftstoff-Einspritzdüse 110 und der Scheibe 152 stattfindet, wird der Kraftstoff auf keinen Fall stark zerstäubt, während er entlang der Innenseite der zylindrischen Bohrung 150 und der Scheibe 152 strömt, und daher wird der Kraftstoff im Inneren des Brennraums in der Form von flüssigen Kraftstoff-Tröpfchen einer größeren Partikelgröße verteilt. In diesem Fall ist es jedoch theoretisch zu bevorzugen, daß die Kraftstoff-Einspritzung plötzlich endet. Dies soll bedeuten, daß dann, wenn die Kraftstoff-Einspritzung plötzlich begonnen worden ist, sich die Kraftstoff-Tröpfchen unmittelbar einheitlich verteilen und daß dann, wenn der obere Totpunkt TDC des Verdichtungs-Hubes vorbeigegangen ist, alle Kraftstoff- Tröpfchen gleichzeitig verdampfen, so daß die Verbrennung gleichzeitig rund um alle Kraftstoff-Tröpfchen beginnt. Ein tatsächliches Problem ist es jedoch, daß es schwierig ist, die Kraftstoff-Einspritzung in einem bestimmten Augenblick zu beenden. Daher wird es in dieser Ausführungsvariante angestrebt, die Kraftstoff-Einspritzung innerhalb eines kleinen, im wesentlichen konstanten Kurbelwinkels zu beenden. Dieser Kurbelwinkel wird vorzugsweise so klein wie möglich gemacht.
Um es weiters zu verhindern, daß Kraftstoff zum Zeitpunkt der Kraftstoff-Einspritzung zerstäubt wird, ist es notwendig, daß der Kraftstoff in der Kraftstoff-Speicher-Kammer 118 in den Brennraum 5 eingespritzt wird, ohne jeglicher Drosselwirkung unterworfen zu werden. Es ist als ein tatsächliches Problem schwierig, den Kraftstoff in der Kraftstoff-Speicher-Kammer 118 in den Brennraum 5 einzuspritzen, ohne daß dieser jeglicher Drosselwirkung unterworfen wird. In dieser Ausführungsvariante jedoch bestehen, wie dies zuvor erwähnt worden ist, die Beziehungen S&sub1; < S&sub2; und S&sub1; < S&sub3; (Fig. 23), und der Kraftstoff, der am Sitz-Abschnitt der Nadel 113 vorbeiströmt, wird in der Folge keinerlei wesentlicher Drosselwirkung unterworfen. Daher ist es bei dieser Ausführungsvariante möglich, das Zerstäuben von Kraftstoff zum Zeitpunkt der Kraftstoff-Einspritzung zu unterdrücken.
Weiters ist es vorzuziehen, die Kraftstoff-Einspritzung in einem so kurzen Zeitraum wie möglich zu vollenden. Um dementsprechend die Kraftstoff-Einspritzung in einem kurzen Einspritz-Zeitraum zu beenden, und zwar auch dann, wenn die benötigte Einspritzmenge ansteigt, ist es notwendig, den Kraftstoff-Einspritz-Druck mit der Steigerung der benötigten Einspritzmenge zu steigern. Dementsprechend ist in dieser Ausführungsvariante, so wie dies oben erwähnt worden ist, der Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff-Speicher-Kammer 118 um so höher, je größer die zur Einspritzung benötigte Menge ist.
Es ist hier festzuhalten, daß die Erklärung für den Fall gegeben worden ist, in dem die vorliegende Erfindung auf einen Viertakt-Motor angewendet wird, jedoch kann die vorliegende Erfindung auch auf einen Zweitakt-Motor angewendet werden. Auch in diesem Fall wird der Kraftstoff während des Verdichtungs-Hubes eingespritzt, und zwar vor 60 Grad vor dem oberen Totpunkt BTDC des Verdichtungs-Hubes oder während des Ansaug-Hubes, wobei Frischluft einströmt, d.h. während des Spül-Hubes.

Claims

1. Motor mit Selbstzündung, der einen Brennraum (5) aufweist, umfassend:

Einspritz-Mittel (10) zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum und zur Bildung von Tröpfchen, die in dem Brennraum verteilt sind, wobei der Mittelwert der Partikelgröße der Kraftstoff-Tröpfchen größer als eine vorbestimmte Partikelgröße ist, bei der die Temperatur der Kraftstoff-Tröpfchen, die die vorbestimmte Partikelgröße aufweisen, einen Siedepunkt eines Hauptbestandteils des Kraftstoffs erreicht, welcher Siedepunkt durch den Druck in dem Brennraum im wesentlichen am oberen Totpunkt des Verdichtungs-Hubes bestimmt ist; und

Steuer-Mittel (80) zur Steuerung der Einspritz-Mittel (10), um einen Einspritz-Vorgang durch die Einspritz-Mittel zu einem vorbestimmten Zeitpunkt durchzuführen, und zwar während eines Zeitraums vom Beginn des Ansaug-Hubes bis etwa 60 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungs-Hubes.

2. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 1, wobei die mittlere Partikelgröße der Kraftstoff-Tröpfchen größer als etwa 500 µm ist.

3. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 1, wobei das Einspritz-Mittel mit einer Kraftstoff-Einspritzdüse versehen ist, die in dem Brennraum angeordnet ist, und wobei die Kraftstoff- Einspritzdüse in ihrem Inneren eine Kraftstoff-Speicher-Kammer (66) aufweist.

4. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 3, wobei die Kraftstoff-Speicher-Kammer eine Kapazität von mehreren zehn Mal der Menge des eingespritzten Kraftstoffes zum Zeitpunkt der maximalen Kraftstoff-Einspritzung aufweist.

5. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 31 wobei das Einspritz-Mittel mit einer Kraftstoff-Pumpe (21) zur Zufuhr von Kraftstoff in die Kraftstoff-Speicher-Kammer versehen ist.

6. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 5, wobei das Ausstoß-Steuer-Mittel (41, 45) dazu vorgesehen ist, die Menge des aus der Kraftstoff-Pumpe ausgestoßenen Kraftstoffes in Übereinstimmung mit der Drehzahl des Motors zu steuern, um so den Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff-Speicher-Kammer größer zu machen, je größer die Drehzahl des Motors ist.

7. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 5, wobei das Ausstoß-Steuer-Mittel zur Steuerung der Menge des Ausstoßes aus der Kraftstoff-Pumpe in Übereinstimmung mit der Motorlast vorgesehen ist, um so den Kraftstoff-Druck in der Kraftstoff- Speicher-Kammer um so höher zu machen, je größer die Motorlast ist.

8. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 7, wobei das Steuer-Mittel den Einspritz-Zeitpunkt des Kraftstoffes im wesentlichen konstant hält, und zwar unabhängig vom Betriebszustand des Motors.

9. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 1, wobei das Steuer-Mittel den Einspritz-Zeitpunkt um so früher festlegt, je größer die Motor-Drehzahl ist, und zwar in Übereinstimmung mit der Drehzahl des Motors.

10. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 1, wobei das Steuer-Mittel den Einspritz-Zeitpunkt um so früher festlegt, je größer die Motorlast ist, und zwar in Übereinstimmung mit der Last des Motors.

11. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 1, wobei das Einspritz-Mittel mit einer Kraftstoff-Einspritzdüse versehen ist, die in dem Brennraum angeordnet ist, und wobei die Kraftstoff- Einspritzdüse den Kraftstoff in einem Zustand eines dünnen Films über den gesamten Innenraum des Brennraums einspritzt.

12. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 11, wobei die Kraftstoff-Einspritzdüse in der Mitte einer Innenwand des Zylinderkopf 5 angeordnet ist, die den Brennraum begrenzt und wobei Kraftstoff in einem dünnen konischen Film von der Kraftstoff-Einspritzdüse eingespritzt wird.

13. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 12, wobei die Kraftstoff-Einspritzdüse mit einer Nadel (61) versehen ist, die von einem vorderen Ende der Kraftstoff-Einspritzdüse vorsteht, mit einem Ventil-Abschnitt, der an dem nach außen vorstehen Ende der Nadel gebildet ist, und mit einer ringförmigen Düsen-Öffnung, die zwischen dem Ventil-Abschnitt und der vorderen Stirnfläche der Kraftstoff-Einspritzdüse gebildet ist, wobei sich die Düsen- Öffnung öffnet, wenn die Nadel nach außen bewegt wird, und wobei Kraftstoff von der Düsen-Öffnung ausgestoßen wird, der sich in einem dünnen konischen Film vom Ventil-Abschnitt weg erstreckt.

14. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 12, wobei die Kraftstoff-Einspritzdüse mit einer Nadel versehen ist und wobei ein Führungs-Glied (62a, 77) außerhalb eines vorderen Endes der Kraftstoff-Einspritzdüse und koaxial mit der Nadel angeordnet ist und mit der Nadel verbunden ist, wobei die Einspritzung von Kraftstoff begonnen wird, wenn die Nadel nach innen bewegt wird, und wobei der eingespritzte Kraftstoff dann in einem dünnen konischen Film durch das Führungs-Glied versprüht wird.

15. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 11, wobei die Kraftstoff-Einspritzdüse in einem Umfangsbereich der Innenwand des Zylinderkopfs angeordnet ist, der den Brennraum begrenzt, und wobei Kraftstoff in einem dünnen sektörartigen Film von der Kraftstoff-Einspritzdüse eingespritzt wird.

16. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 15, wobei die Kraftstoff-Ein spritzdüse mit einer Düsen-Öffnung versehen ist, die sich aus einem Schlitz mit kreissektorförmigem Querschnitt zusammensetzt.

17. Motor mit Selbstzündung nach Anspruch 1, wobei das Einspritz-Mittel mit einer Kraftstoff-Einspritzdüse versehen ist, deren Einspritzung durch ein piezoelektrisches Element (68) gesteuert ist.

18. Verbrennungs-Verfahren eines Motors mit Selbstzündung, der einen Brennraum (5) aufweist, umfassend die folgenden Schritte:

Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum zu einem vorbestimmten Zeitpunkt während eines Zeitraums vom Beginn des Ansaug-Hubes bis 60 Grad vor dem oberen Totpunkt des Verdichtungs-Hubes;

Bilden von Kraftstoff-Tröpfchen, die in dem Brennraum verteilt sind, wobei der Mittelwert der Partikelgröße der Kraftstoff-Tröpfchen größer ist als eine vorbestimmte Partikelgröße, bei der die Temperatur der Kraftstoff-Tröpfchen, die die vorbestimmte Partikelgröße aufweisen, einen Siedepunkt eines Hauptbestandteils des Kraftstoffs erreicht, welcher Siedepunkt durch den Druck in dem Brennraum im wesentlichen am oberen Totpunkt des Verdichtungs-Hubes bestimmt ist;

Verhindern des Verdampfens von Kraftstoff durch Sieden der Kraftstoff-Tröpfchen, bis eine Kurbelwelle ungefähr den oberen Totpunkt des Verdichtungs-Hubes erreicht, nachdem das Einspritzen von Kraftstoff begonnen ist; und

Verdampfen des Kraftstoffs von den Kraftstoff-Tröpfchen durch Sieden und Beginn des Verbrennens des verdampften Kraftstoffs im wesentlichen nach dem oberen Totpunkt des Verdichtungs-Hubes.

19. Verbrennungs-Verfahren nach Anspruch 18, wobei die mittlere Partikelgröße der flüssigen Kraftstoff-Tröpfchen größer ist als etwa 500 µm.

20. Verbrennungs-Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Kraftstoff-Einspritz-Rate am Beginn der Kraftstoff-Einspritzung am größten ist, und wobei die Kraftstoff-Einspritz-Rate allmählich abnimmt, bis die Kraftstoff-Einspritzung beendet ist.

21. Verbrennungs-Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Einspritz-Zeitpunkt um so weiter vorverlegt wird, je größer die Drehzahl des Motors ist.

22. Verbrennungs-Verf ahren nach Anspruch 18, wobei der Einspritz-Zeitpunkt um so weiter vorver legt wird, je größer die Motor-Last ist.