DE69910365T2

DE69910365T2 - Brennkraftmaschine mit brennstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE69910365T2
Application number: DE69910365T
Authority: DE
Inventors: Leif Hansson
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2002510014A; DE69910365D1; BR9909167A; SE9801145D0; SE9801145L; US6382179B1; SE521018C2; WO1999050554A1; EP1068444B1; EP1068444A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung, vorzugsweise einen Dieselmotor, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
In der Fahrzeugmotortechnik gibt es eine immer größere Nachfrage nach erhöhter Leistung, während gleichzeitig erhöhte Umweltanforderungen an Emissionen von Motoren gestellt werden. Ein Hauptproblem in diesem Zusammenhang ist, dass der Verbrennungsprozess sehr kompliziert ist und folglich eine für einen bestimmten Zweck vorgenommene Maßnahme oft mit unerwünschten Nachteilen in einem anderen Bereich verbunden ist.
Bei Dieselmotoren mit Direkteinspritzung war es folglich bisher notwendig, einen Kompromiss zwischen verschiedenen Parametern zu schließen, um akzeptable Kombinationen von Leistung und Umweltverträglichkeit zu erzielen. Hinsichtlich der Emission von Stickoxiden ist es unerwünscht, eine Kraftstoffeinspritzung zu früh zu beginnen. Auch ist es nicht erwünscht, den Einspritzdruck zu sehr zu erhöhen, da dies Ausstöße von Stickoxiden ebenfalls nachteilig beeinflusst. Auf der anderen Seite ist es nicht erwünscht, eine Einspritzung zu spät zu beenden, da dies das Auftreten unerwünschter Rückstände von mehr oder weniger unverbranntem Kraftstoff verstärkt, was eine Vielzahl von Problemen zur Folge haben kann. Falls eine Einspritzung zu spät stattfindet, hat der Kolben des Motors seinen oberen Totpunkt passiert und ist so weit unten, dass, anstatt dass eine Einspritzung in den im Kolben gelegenen Hohlraum stattfindet, die von der Einspritzung herrührenden Kraftstoffsprühnebel in Richtung auf die Wände des Zylinders gerichtet werden. Da die Zylinderwände deutlich kühler als die Temperatur im Kolbenhohlraum sind, bewirkt dies das Auftreten gewöhnlich zusammengefasst als Ruß bezeichneter unverbrannter Partikel. Dies bedeutet nicht nur, dass der Motor über sein Abgassystem Rußpartikel ausstößt, sondern dass auch einige der Rußpartikel sich im Schmieröl des Motors ansammeln. Dies verschlechtert die Schmiereigenschaften des Öls, wodurch sich möglicherweise ein schwerwiegender Verschleißschaden am Motor ergibt. Das Vorhandensein von Rußpartikeln in Abgasen macht es notwendig, spezielle Maßnahmen zu ergreifen, um ihre Freisetzung in die Atmosphäre zu verhindern, indem zum Beispiel spezielle Rußfallen oder eine andere Nachbehandlung von Abgasen genutzt werden. All diese Maßnahmen sind mit Lösungen verbunden, die kompliziert, platzraubend und teuer sind.
Das Vorhergehende zeigt, dass es ein Problem insofern gibt, als die zur Einspritzung zur Verfügung stehende Zeitspanne zu begrenzt ist. Es ist daher schwierig, eine Kraftstoffeinspritzung auf solch eine Weise durchzuführen, dass alle Anforderungen erfüllt werden, und dies insbesondere so zu tun, dass sowohl geringe Emissionen von Stickoxiden als auch eine geringe Rußbildung erzielt werden.
Eine Lösung für das Problem, dass Kraftstoffsprühnebel die Zylinderwände erreichen, könnte darin bestehen, den so genannten Konuswinkel zu modifizieren, das ist der Winkel, den die in einer vertikalen Ebene betrachteten Kraftstoffsprühnebel miteinander bilden, so dass sogar eine späte Einspritzung auf den Kolbenhohlraum gerichtet ist. Dies bedeutet jedoch, dass am Beginn einer Einspritzung der Kolben zu nahe am Einspritzer ist und es daher zu wenig Platz zwischen dem Einspritzer und dem Kolben gibt, damit der Kraftstoff fein verteilt wird, bevor er den Kolben erreicht. In einer weiterentwickelten Variante dieser Lösung wäre es möglich, sich vorzustellen, dass die Anfangsphasen einer Einspritzung mit einem bestimmten Konuswinkel und die Endphasen einer Einspritzung mit einem anderen Konuswinkel stattfinden. Eine solche Lösung wäre jedoch mit exakten Anforderungen hinsichtlich einer Einspritzersteuerung verbunden und ergäbe eine teure und komplizierte Lösung.
Eine bekannte Technologie, die bezüglich der vorliegenden Erfindung zitiert werden kann, ist JP 59-173 554, die sich auf einen Vierventilmotor mit Kraftstoffeinspritzer bezieht, welcher verschiedene kräftige Kraftstoffsprühnebel in verschiedenen Richtungen erzeugt. In diesem Fall ist der Kolben nicht nur mit einem herkömmlichen Kolbenhohlraum, sondern auch mit Ausnehmungen für die Ventile versehen, und eine größere Kraftstoffmenge als die zwischen die Ventilausnehmungen gerichteten Kraftstoffsprühnebel wird in Richtung der Ventilausnehmungen eingespritzt. Obwohl in diesem Fall eine geringere Kraftstoffmenge zwischen die Ventile gerichtet wird, bedeutet es, dass diese Sprühnebel die Zylinderwand erreichen werden, falls eine Einspritzung spät stattfindet, mit der Folge, dass das oben erwähnte Problem einer Rußbildung fortbesteht.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Lösung zu schaffen, die eine verhältnismäßig späte Einspritzung des Kraftstoffs herbeiführt, so dass der Motor keine großen Mengen an Stickoxiden ausstößt, während gleichzeitig die Einspritzung keine Rußbildung mit ihren damit verbundenen Nachteilen verursacht.
Ein anderes Ziel ist, dies in einer einfachen und kostengünstigen Weise zu erreichen. Ein weiteres Ziel ist, die Technik an bestehenden Motoren zu nutzen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Kraftstoffeinspritzerdüse gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 so im Zylinder orientiert ist, dass die Projektion jeder Einspritzung des Kraftstoffsprühnebels, in einer zur Mittellinie des Zylinders senkrechten Ebene betrachtet, eine Projektion in die gleiche Ebene des Ventiltellers eines der Ventile kreuzt. Eine Orientierung des Kraftstoffeinspritzers in dieser Weise bewirkt, dass der Kraftstoffsprühnebel unter einem Ventil durchgeht. Wärmestrahlung vom Ventil bewirkt eine effektivere Verbrennung und hält die Rußbildung auf niedrigem Niveau. Da alle Kraftstoffsprühnebel durch Ventilwärme beeinflusst werden, wird eine gleichmäßigere Umgebung für die verschiedenen Kraftstoffsprühnebel erzielt, was eine homogenere Verbrennung zur Folge hat. Dies wird ferner durch die Tatsache unterstützt, dass ein größerer Teil des Kraftstoffs den heißen Ventilen nahe kommt. Es ist somit möglich, eine Einspritzung sogar zu einer Zeit auszuführen, wenn der Kolben vom Einspritzer verhältnismäßig weit entfernt ist und ansonsten eine Gefahr bestünde, dass die Kraftstoffsprühnebel die Zylinderwand erreichen.
In Abhängigkeit von der Zylindergröße kann es vorteilhaft sein, mehr als einen Kraftstoffsprühnebel unter einem oder mehr Ventilen durchgehen zu lassen. Im Fall eines Vierventilmotors beispielsweise können zwei Kraftstoffsprühnebel unter jedem Ventil durchgehen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Endung sind in der Beschreibung und den Patentansprüchen angegeben.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden mit Verweis auf eine Ausführungsform ausführlicher erläutert, die in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist, in der:
1 einen Schnitt durch einen Zylinder in einem Motor gemäß der Erfindung zeigt, und
2 eine Projektion in Richtung II-II in 1 zeigt.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 stellt einen Viertakt-Verbrennungsmotor 1 mit vier Zylindern dar, konkreter einen Kolbenmotor in Form eines Dieselmotors, der dazu gedacht ist, ein Schwerlastfahrzeug wie zum Beispiel einen Lastwagen oder Bus anzutreiben. 1 zeigt nur einen Zylinder 2, da alle Zylinder formidentisch sind. Der Verbrennungsmotor 1 ist mit einer Direkteinspritzung versehen und hat zu diesem Zweck in jedem Zylinder einen Kraftstoffeinspritzer 3, der über mehrere Kraftstoffdüsen 4 Kraftstoffsprühnebel 5 in verschiedene Richtungen im Zylinder 2 abgeben kann. Diese Kraftstoffsprühnebel 5 sind in herkömmlicher Weise entlang der Schalenfläche in einer konischen Form ein wenig abwärts gerichtet. Wenn ein Kolben 6 im Zylinder in einer oberen Stellung ist, sind diese Kraftstoffsprühnebel 5 in eine Ausnehmung 7 an der Oberseite des Kolbens 6 gerichtet. Der Zylinder 2 enthält nicht nur den Kolben 6 und den Kraftstoffeinspritzer 3, sondern auch mehrere Ventile 8, 9 in Form von Tellerventilen, zwischen denen der Kraftstoffeinspritzer 3 vorteilhafterweise mittig angeordnet ist. Zumindest ein Ventil 8 bildet ein Einlassventil, und mindestens ein Ventil 9 bildet ein Auslassventil.
Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist, wie die Kraftstoffsprühnebel 5 und daher die Kraftstoffdüsen 4 im Zylinder orientiert sind. Dies ist in 2 weiter verdeutlicht, die eine Projektion der Ventile und der Richtungen der Kraftstoffsprühnebel 5 in einer zur Mittellinie 10 des Zylinders in 1 senkrechten Ebene, d. h. in Richtung II-II in 1 betrachtet, darstellt.
Der Motor 1 hat in diesem Fall vier Ventile pro Zylinder, das heißt zwei Einlassventile 8' und 8'' und zwei Auslassventile 9' und 9'', welche letztgenannten in diesem Fall kleinere Ventilteller als die Einlassventile haben. Der Kraftstoffeinspritzer 3 ist in diesem Fall axial orientiert und mittig im Zylinder angeordnet, und dessen Kraftstoffdüsen 4 sind in einem gleichmäßigen Abstand montiert, d. h. die Kraftstoffdüsen sind in einer zueinander gleichen Winkeldis tanz α angeordnet. Jeder Kraftstoffsprühnebel 5 wird hier durch die Projektion 5' seiner Richtungslinie repräsentiert. Wie man erkennen kann, kreuzt die Projektion 5' der Richtung jedes Kraftstoffsprühnebels eine Projektion eines der Ventile 5, d. h. keine der Projektionen 5' liegt zwischen den Projektionen der Ventile. In diesem besonderen Fall ist die Anzahl von Kraftstoffsprühnebeln 5 das Doppelte der Anzahl Ventile, und die Projektion jedes Ventils wird von zwei Projektionen 5' der Richtung der Kraftstoffsprühnebel gekreuzt. Der Abstandswinkel α zwischen den Kraftstoffdüsen beträgt in diesem Fall 45°.
Je nach der Anzahl von Ventilen und ihrer Größe und Lage kann eine andere Variante eines Kraftstoffeinspritzers notwendig sein, das heißt eine andere Anzahl Kraftstoffdüsen 4 und ihre unterschiedliche gegenseitige Anordnung, um die Kraftstoffsprühnebel 5 wie vorgesehen in Bezug auf die jeweiligen Ventile zu richten. Beispielsweise kann somit ein Motor mit drei Ventilen pro Zylinder beispielsweise sechs Kraftstoffdüsen 4 pro Kraftstoffeinspritzer 3 aufweisen, und die Kraftstoffdüsen können möglicherweise unregelmäßig verteilt sein, um die Kraftstoffsprühnebel nach Wunsch richten zu können.
Es ist in einer Version der in 2 gezeigten Bauart, d. h. mit vier Ventilen und acht Kraftstoffsprühnebeln pro Zylinder, beispielsweise auch möglich, einen reduzierten Winkelabstand α zwischen den beiden Projektionen 5' zu haben, die jede Ventilprojektion kreuzen. Ein Vorteil davon ist, dass jede Projektion 5' der Mitte der jeweiligen Ventilprojektion näher kommt und somit die Ventilprojektion über eine längere Distanz kreuzt. Jeder Kraftstoffsprühnebel 5 ist folglich für einen größeren Teil seiner Länge unter einem heißen Ventilteller.
Während einer Verbrennung werden die Ventile jedes Zylinders, sowohl Einlass- als auch Auslassventile, kräftig erhitzt und können daher in der zweiten Phase des Arbeitszyklus eines Zylinders Wärme abgeben. Die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Lösung nutzt diese Wärmeemission, um auf eingespritzten Kraftstoff einzuwirken, um eine vorteilhaftere Verbrennung mit unter anderem reduzierter Rußbildung zu bewirken. Dies hat vom Gesichtspunkt des Verschleißes aus insofern große Vorteile, als in diesem Zusammenhang Ruß ein sehr lästiger Faktor ist, insbesondere falls der Ruß in das Öl gelangt und Ölruß bildet.
Praktische Tests haben gezeigt, dass, falls die Version gemäß 2 so abgewandelt wird, dass jeder zweite Kraftstoffsprühnebel zwischen zwei benachbarten Ventilen verläuft, das Ergebnis eine erheblich größere Zunahme, in der Größenordnung von 50% mehr, als in ei ner Version gemäß 2 ist. Die Orientierung des Kraftstoffeinspritzers 3 ist somit von sehr großer Bedeutung.
Um eine korrekte Orientierung des Kraftstoffeinspritzers 3 sicherzustellen, sollte er mit einer bestimmten Form einer mechanischen Dreharretierung im Zylinderkopf 11 des Motors eingebaut werden. Ein Beispiel solch einer Anordnung ist in 1 dargestellt, in der der Kraftstoffeinspritzer 3 mit einem radialen Vorsprung 12 versehen ist, der in einen axialen Schlitz 13 im Zylinderkopf 11 passt. Dies macht es einfach, den Kraftstoffeinspritzer 3 in die korrekte Lage im Zylinderkopf 11 zu bringen und ihn danach in herkömmlicher Weise zum Beispiel mit einer Verriegelungsklemme axial zu arretieren. Die hier dargestellte Dreharretierung kann natürlich auf mehrere verschiedene Arten nach Wunsch und Bedarf abgewandelt werden.

Claims

Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung, vorzugsweise Dieselmotor, bei dem jeder Zylinder (2) einen Kolben (6) sowie mindestens ein Einlassventil (8) und mindestens ein Auslassventil (9), in Form von Tellerventilen, und einen Kraftstoffinjektor (3) enthält, der über eine Anzahl Kraftstoffdüsen (4) Kraftstoffsprühstrahlen (5) in verschiedenen Richtungen in den Zylinder (2) abgeben kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffdüsen (4) des Kraftstoffinjektors (3) derart im Zylinder (2) ausgerichtet sind, dass die Orthogonalprojektion (5') der Richtung jedes Kraftstoffsprühstrahls, betrachtet in einer zur Zylindermittelinie (10) rechtwinkligen Ebene, die Orthogonalprojektion des Ventiltellers eines der Ventile in die selbe Ebene kreuzt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion jedes Ventiltellers von der Projektion (5') der Richtung mindestens eines Kraftstoffsprühstrahls gekreuzt wird.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kraftstoffdüsen (4) ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Ventile ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ganzzahlige Vielfache zwei ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Ventile vier ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffdüsen (5) mit gleichem Winkelabstand angeordnet sind.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kraftstoffinjektor (3) dazu ausgestaltet ist, verdrehfest in einer vorbestimmten Drehwinkelstellung in bezug auf den Zylinderkopf des Motors eingebaut zu werden.