EP0083001A1 - Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoffdirekteinspritzung bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoffdirekteinspritzung bei Brennkraftmaschinen Download PDF

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EP0083001A1
EP0083001A1 EP82111427A EP82111427A EP0083001A1 EP 0083001 A1 EP0083001 A1 EP 0083001A1 EP 82111427 A EP82111427 A EP 82111427A EP 82111427 A EP82111427 A EP 82111427A EP 0083001 A1 EP0083001 A1 EP 0083001A1
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injection
fuel
fuel injection
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combustion chamber
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/44—Valves, e.g. injectors, with valve bodies arranged side-by-side

Definitions

  • the invention is based on a fuel injection system according to the preamble of the main claim.
  • the pre-injection quantity is introduced into the combustion chambers of an internal combustion engine separately from the main fuel injection quantity via a special fuel injection valve arrangement in the form of a double valve.
  • the pre-injection quantity is controlled by a separate pump arrangement and the main injection quantity by a conventional fuel injection pump.
  • the pre-injection quantity is constant in the known device, however, the injection timing, the advance of the injection compared to the main injection, can be controlled depending on the load and speed.
  • a small fuel injection quantity is pre-injected before the main injection quantity is injected, the combustion starts "softly" with this small injection quantity.
  • the required ignition temperature for the entering fuel is already reached by burning the pre-injection quantity.
  • the main injection quantity can then be burned directly in the combustion chamber to the extent that it is injected without a long ignition delay.
  • the combustion pressure curve in such a combustion is less steep and the noise associated with the combustion is low.
  • this injection method has the disadvantage that the main injection quantity no longer has the possibility of intensively mixing with the air present in the combustion chamber before the onset of combustion.
  • the fuel consumption and also the smoke development with this combustion process are higher than with the one previously described.
  • the fuel injection system according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that numerous strong local turbulences arise in the combustion chamber by the type of introduction of the pre-injection quantity, which become effective at the time of the main injection.
  • the preparation of the main fuel injection quantity is significantly improved by this local turbulence.
  • the injection valves are arranged as close as possible to the center of a combustion chamber designed as a combustion chamber trough and the injection jets of the pre-injection quantity form a cone that is smaller than the cone formed by the jets of the main injection quantity, local turbulence is specifically generated at the points in the combustion chamber that Beginning of the main injection of which fluid jets are touched.
  • the pre-injection quantity and the pre-injection time are controlled as a function of the load and speed.
  • the pilot injection can thus be optimized with regard to the increase in combustion pressure and with regard to the preparation of the main fuel injection quantity.
  • the injection geometry and the fuel pressure are advantageously coordinated with one another in such a way that the fuel is atomized directly in the combustion chamber. This avoids fuel wetting of the combustion chamber walls and ensures that the fuel is completely burned during the work cycle.
  • FIG. 1 shows the schematic arrangement of the injection system according to the invention with a double injection valve and in each case one injection pump for the main injection and the pre-injection
  • FIG. 2 shows the arrangement of the double injection valve and the spray directions in a side view
  • FIG. 3 shows the injection spray distribution in a top view.
  • FIG. 1 an internal combustion engine 1 is shown schematically and a double injection valve 2 assigned to a cylinder of the internal combustion engine.
  • a double injection valve 2 assigned to a cylinder of the internal combustion engine.
  • injection valves are known, for. B. by DE-OS 29 43 895, and need not be described here.
  • the valve body 3 has a first outlet point 4 for the pre-injection quantity and a second outlet point 5 for the main injection quantity.
  • the double injection valve is supplied with fuel by a first fuel injection pump 6 and by a second fuel injection pump 7.
  • the first fuel Injection pump supplies the individual double valves of the internal combustion engine with fuel via pre-injection lines 8 and the second fuel injection pump 7 delivers the main fuel injection quantity via main injection lines 9.
  • the second fuel injection pump 7 for the main injection can, for. B. be designed as a series injection pump and is connected via a spray adjustment device 11 to the drive of the internal combustion engine.
  • the first fuel injection pump 6 is further coupled, the z. B. can be a distributor injection pump with an integrated spray adjuster 12.
  • both the main injection quantity and the pre-injection quantity can be precisely controlled in terms of time and quantity.
  • the pre-injection quantity and the injection timing of the pre-injection quantity are controlled in a manner known per se depending on the load and speed, the quantity and injection timing being matched to the main injection quantity and its timing.
  • Ratios per injection quantity to injection quantity can be set from 1: 1.3 to 1:28.
  • the start of injection of the pre-injection quantity can be set 10 to 20 ° crank angle before the start of injection of the main injection quantity.
  • the pre-injection quantity is injected into the combustion chamber through a plurality of spray openings.
  • 2 shows such a preferably trough-shaped combustion chamber 14, which is arranged within a piston 15.
  • the double injection valve 2 protrudes obliquely through the cylinder head into the combustion chamber, at a point that is as close as possible to the center Z of the combustion chamber.
  • the design of the double injection valve means that the outlet points of the pre-injection quantity and the main injection quantity are very close to one another.
  • other embodiments of double injection valves can of course also be used, a coaxial arrangement being conceivable instead of the secondary arrangement.
  • the double injection valve has four injection openings 16 at the first exit point 4, which together form a cone angle of ⁇ 1.
  • the double injection valve also has four injection openings 17, which together enclose a conical angle of ⁇ 2.
  • the tip cone angle ⁇ 2 is larger than the tip cone angle ⁇ 1.
  • the opening area of the injection openings 16 is smaller than the opening area of the injection openings 17 with a corresponding adjustment of the fuel quantities to be injected there in order to achieve the best possible atomization of the introduced fuel.
  • the injection openings 16 and 17 are aligned such that the fuel to be injected is distributed uniformly over the surface of the combustion chamber, as can be seen in FIG. 3.
  • the direction of injection of the pre-injection jets is to be oriented in the projection to the combustion chamber 14 in such a way that they are upstream in the direction of movement of the directed air swirl in the combustion chamber from the direction of injection of the main injection jets.
  • the measures described reduce the combustion noise with the help of the pre-injection and still achieve a very good preparation of the injected fuel both in the pre-injection quantity and in the main injection quantity combined with favorable result criteria such as specific fuel consumption, black smoke and exhaust gas emissions.
  • the processing can be done by appropriate adjustment of injection geometry, e.g. B. injection opening area and injection pressure can be optimized.
  • the injection jets should in particular supply the compressed rotating air (due to the centrifugal force) in the vicinity of the combustion chamber with sufficient fuel.
  • the exact control ensures that the strength and timing of numerous local vortices (secondary vortices) that also result from the pre-combustion represent a substitute for the mixing duration removed from the main injection during the usual ignition delay.

Abstract

Es wird ein Kraftstoffeinspritzsystem vorgeschlagen, bei dem je ein Ventil für die Voreinspritzmenge und für die Haupteinspritzmenge vorgesehen ist, und jedes der Ventile mehrere Einspritzöffnungen (16, 17) aufweist. Dabei sind die Einspritzöffnungen (16) für die Voreinspritzmenge kleiner als die für die Haupteinspritzmenge. Ferner bilden die Einspritzstrahlen der Voreinspritzmenge einen Spitzen Kegelwinkel (α1), der kleiner ist als der Spitzenkegelwinkel (α2) der Haupteinspritzstrahlen. Durch Verwendung zweier Einspritzpumpen können Einspritzmenge als auch Einspritzzeitpunkt für sowohl Voreinspritzmenge als auch Haupteinspritzmenge exakt und unabhängig gesteuert werden.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzsystem gemäß der Gattung des Hauptanspruchs aus. Bei einem solchen durch die DE-PS 27 21 628 bekannten System wird über eine spezielle Kraftstoffeinspritzventil-Anordnung in Form eines Doppelventils die Voreinspritzmenge getrennt von der Hauptkraftstoffeinspritzmenge in die Brennräume einer Brennkraftmaschine eingebracht. Dabei wird die Voreinspritzmenge von einer separaten Pumpanordnung und die Haupteinspritzmenge von einer konventionellen Kraftstoffeinspritzpumpe gesteuert. Die Voreinspritzmenge ist bei der bekannten Einrichtung konstant, dagegen kann der Einspritzzeitpunkt, die Voreilung der Einspritzung gegenüber der Haupteinspritzung, last- und drehzahlabhängig gesteuert werden.
  • Es ist seit langem bekannt, daß mit Hilfe einer kleineren, der Haupteinspritzung voreilenden Voreinspritzmenge die Geräuschentwicklung beim Betrieb einer selbstzündenden Brennkraftmaschine vermindert werden kann. Das harte Verbrennungsgeräusch entsteht bei Anwendung der üblichen Einspritzeinrichtungen für selbstzündende Brennkraftmaschinen dadurch, daß sich in der Zeit zwischen Einspritzbeginn und Verbrennungsbeginn eine bestimmte Kraftstoffeinspritzmenge im Brennraum ansammelt. Diese Menge wird bei Beginn der Verbrennung dann plötzlich entflammt, was einen starken Anstieg des Brennraumdrucks bewirkt. Dieser sehr steile Anstieg ergibt das bekannte nagelnde Geräusch. Andererseits hat der eingespritze Kraftstoff während der Zeit zwischen Einspritzbeginn und Verbrennungsbeginn Zeit, sich mit der im Brennraum rotierenden Luft gut zu vermischen. Aufgrund der optimalen Aufbereitung wird dadurch der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine vermindert.
  • Wird nun vor der Einspritzung der Haupteinspritzmenge eine kleine Kraftstoffeinspritzmenge voreingespritzt, so setzt die Verbrennung mit dieser kleinen Einspritzmenge "weich" ein. Bei Beginn der Haupteinspritzung ist dann die erforderliche Zündungstemperatur für den eintretenden Kraftstoff durch das Verbrennen der Voreinspritzmenge bereits erreicht. Die Haupteinspritzmenge kann dann ohne langen Zünderverzug in dem Maße, wie sie zur Einspritzung kommt, unmittelbar im Brennraum verbrannt werden. Der Verbrennungsdruckverlauf bei einer solchen Verbrennung ist weniger steil und die mit der Verbrennung verbundene Geräuschentwicklung gering. Dieses Einspritzverfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Haupteinspritzmenge nicht mehr die Möglichkeit hat, sich vor der einsetzenden Verbrennung intensiv mit der im Brennraum vorhandenen Luft zu mischen. Der Kraftstoffverbrauch und auch die Rauchentwicklung bei diesem Brennverfahren ist höher als bei dem zuvor beschriebenen.
  • Auch bei der eingangs genannten bekannten Einrichtung, die eine Voreinspritzpumpe aufweist, wird die Minderung des Verbrennungsgeräusch mit dem Nachteil von höherem Verbrauch oder gar Rauchentwicklung erkauft.
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzsystem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Art der Einbringung der Voreinspritzmenge zahlreiche starke örtliche Turbulenzen im Brennraum entstehen, die zum Zeitpunkt der Haupteinspritzung wirksam werden. Die Aufbereitung der Hauptkraftszoffeinspritzmenge wird durch diese örtlichen Turbulenzen wesentlich verbessert. Insbesondere wenn die Einspritzventile möglichst nahe dem Zentrum eines als Brennraummulde ausgebildeten Brennraumes angeordnet sind und die Einspritzstrahlen der Voreinspritzmenge einen Kegel bilden, der kleiner ist als der von den Strahlen der Haupteinspritzmenge gebildete Kegel, werden gezielt lokale Turbulenzen an den Stellen im Brennraum erzeugt, die zu Beginn der Haupteinspritzung von deren Fluidstrahlen berührt werden. Durch diese lokalen Turbulenzen im Bereich der Strahlen der Haupteinspritzung erfolgt eine schnelle intensive Mischung mit der Verbrennungsluft.
  • In vorteilhafter Weise wird insbesondere bei Kraftstoffeinspritzsystemen mit zwei Kraftstoffeinspritzpumpen die Voreinspritzmenge und der Voreinspritzzeitpunkt last- und drehzahlabhängig gesteuert. Damit kann die Voreinspritzung im Hinblick auf Verbrennungsdruckanstieg und im Hinblick auf die Aufbereitung der Hauptkraftstoffeinspritzmenge optimiert werden.
  • Vorteilhafterweise werden auch die Einspritzgeometrie und der Kraftstoffdruck so aufeinander abgestimmt, daß der Kraftstoff im Brennraum direkt zerstäubt wird. Damit wird eine Kraftstoffbenetzung der Brennraumwände vermieden und erreicht, daß der Kraftstoff während des Arbeitstaktes vollständig verbrannt wird.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die schematische Anordnung des erfindungsgemäßen Einspritzsystems mit einem Doppeleinspritzventil und jeweils einer Einspritzpumpe für die Haupteinspritzung und die Voreinspritzung, Fig. 2 zeigt die Anordnung des Doppeleinspritzventils und der Strahlrichtungen in der Seitenansicht und Fig. 3 die Einspritzstrahlverteilung in der Draufsicht.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1 dargestellt und ein einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnetes Doppeleinspritzventil 2. Solche Einspritzventile sind bekannt, z. B. durch die DE-OS 29 43 895, und brauchen hier nicht näher beschrieben werden. Der Ventilkörper 3 weist eine erste Austrittsstelle 4 für die Voreinspritzmenge und eine zweite Austrittsstelle 5 für die Haupteinspritzmenge auf.
  • Das Doppeleinspritzventil wird von einer ersten Kraftstcffeinspritzpumpe 6 und von einer zweiten Kraftstoffeinspritzpumpe 7 mit Kraftstoff versorgt. Die erste Kraftstoffeinspritzpumpe führt den einzelnen Doppelventilen der Brennkraftmaschine über Voreinspritzleitungen 8 den Kraftstoff zu und die zweite Kraftstoffeinspritzpumpe 7 über Haupteinspritzleitungen 9 die Hauptkraftstoffeinspritzmenge zu. Die zweite Kraftstoffeinspritzpumpe 7 für die Haupteinspritzung kann z. B. als Reiheneinspritzpumpe ausgebildet sein und wird über eine Spritzverstellvorrichtung 11 mit dem Antrieb der Brennkraftmaschine verbunden. Mit der zweiten Kraftstoffeinspritzpumpe 7 ist weiterhin die erste Kraftstoffeinspritzpumpe 6 gekoppelt, die z. B. eine Verteilereinspritzpumpe sein kann mit einem integrierten Spritzversteller 12.
  • Mit der beschriebenen Anordnung können sowohl die Haupteinspritzmenge als auch die Voreinspritzmenge zeitlich als auch mengenmäßig exakt gesteuert werden. Insbesondere werden die Voreinspritzmenge und der Spritzzeitpunkt der Voreinspritzmenge in an sich bekannter Weise last- und drehzahlabhängig gesteuert, wobei Menge und Spritzzeitpunkt auf die Haupteinspritzmenge und ihre zeitliche Steuerung abgestimmt sind. Es können Verhältnisse pro Einspritzmenge zu Einspritzmenge von 1:1,3 bis 1:28 eingestellt werden. Der Spritzbeginn der Voreinspritzmenge kann 10 bis 20° Kurbelwinkel vor dem Spritzbeginn der Haupteinspritzmenge gelegt werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Voreinspritzmenge durch mehrere Spritzöffnungen in den Brennraum eingespritzt. Fig. 2 zeigt einen solchen vorzugsweise muldenförmigen Brennraum 14, der innerhalb eines Kolbens 15 angeordnet ist. Das Doppeleinspritzventil 2 ragt dabei schräg durch den Zylinderkopf in den Brennraum hinein, an einer Stelle die möglichst nahe dem Zentrum Z des Brennraums liegt.
  • Durch die Konstruktion des Doppeleinspritzventils liegen auch die Austrittsstellen der Voreinspritzmenge und der Haupteinspritzmenge sehr dicht beeinander. Alternativ können natürlich auch andere Ausführungsformen von Doppeleinspritzventilen verwendet werden, wobei statt der Nebenordnung auch eine koaxiale Anordnung denkbar ist.
  • An der ersten Austrittsstelle 4 weist das Doppeleinspritzventil in der beispielhaften Ausgestaltung vier Einspritzöffnungen 16 auf, die zusammen einen Kegelwinkel von α1 bilden. An der zweiten Austrittsstelle 5 weist das Doppeleinspritzventil ebenfalls vier Einspritzöffnungen 17 auf, die zusammen einen kegelspitzen Winkel von α2 einschließen. Der Spitzenkegelwinkel α2 ist dabei größer als der Spitzenkegelwinkel λ1. Weiterhin ist die öffnungsfläche der Einspritzöffnungen 16 kleiner als die Öffnungsfläche der Einspritzöffnungen 17 in entsprechender Anpassung der dort einzuspritzenden Kraftstoffmengen, um eine möglichst gute Zerstäubung des eingebrachten Kraftstoffs zu erzielen. Die Einspritzöffnungen 16 und 17 sind so ausgerichtet, daß der einzuspritzende Kraftstoff gleichmäßig auf die Fläche des Brennraums verteilt wird, wie Fig. 3 zu entnehmen ist. Die Spritzrichtung der Voreinspritzstrahlen ist in der Projektion zum Brennraum 14 so auszurichten, daß sie in Bewegungsrichtung des gerichteten Luftdralls im Brennraum der Spritzrichtung der Haupteinspritzstrahlen vorgelagert sind.
  • Durch die beschriebenen Maßnahmen wird mit Hilfe der Voreinspritzung das Verbrennungsgeräusch vermindert und trotzdem eine sehr gute Aufbereitung des eingespritzten Kraftstoffs sowohl bei der Voreinspritzmenge als auch bei der Haupteinspritzmenge verbunden mit günstigen Ergebniskriterien wie spezifischem Kraftstcffverbrauch, Schwarzrauch und Abgasemissicnen erzielt. Die Aufbereitung kann durch entsprechende Anpassung von Einspritzgeometrie, z. B. Einspritzöffnungsfläche und Einspritzdruck optimiert werden. Die Einspritzstrahlen sollen insbesondere die verdichtete rotierende Luft (aufgrund der Zentrifugalkraft) in der Brennraumwandnähe ausreichend mit Kraftstoff versorgen. Durch die exakte Steuerung wird bewirkt, daß Stärke und Zeitpunkt von zahlreichen lokalen auch durch die Vorverbrennung entstandener Wirbel (Sekundärwirbel) einen Ersatz darstellen für die der Haupteinspritzung weggenommene Mischungsdauer während des sonst üblichen Zündverzuges.
  • So wird "weiche" Verbrennung erzielt, ohne auf gute Motorergebnisse durch gute Mischung von Kraftstoff mit Luft verzichten zu müssen.
  • Bei entsprechender Anpassung und bei Ausnützung der dynamischen Einflüsse ist es möglich, das beschriebene Kraftstoffeinspritzprinzip auch mit nur einer Kraftstoffeinspritzpumpe zu betreiben, auf eine gesonderte Steuereinrichtung zur Bestimmung der Voreinspritzmenge und zur Bestimmung des Einspritzzeitpunktes der Voreinspritzmenge kann jedoch nicht verzichtet werden.

Claims (10)

1. Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoffdirekteinspritzung in Brennräume einer Brennkraftmaschine mit je einem Einspritzventil, durch das eine Voreinspritzmenge in den jeweiligen Brennraum eingespritzt wird und einem Einspritzventil, durch das die Haupteinspritzmenge in den Brennraum eingespritzt wird, wobei die Austrittsstelle des Kraftstoffs der jeweils beiden Kraftstoffeinspritzventile dicht beieinander liegt und mit wenigstens einer Kraftstoffeinspritzpumpe zur Kraftstoffversorgung der Einspritzventile, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil für die Voreinspritzmenge und das Einspritzventil für die Haupteinspritzmenge jeweils mehrere Einspritzöffnungen (16, 17) aufweisen und die Öffnungsfläche der Einspritzöffnungen (16) für die Voreinspritzmenge jeweils kleiner ist als die der Einspritzöffnungen (17) für die Haupteinspritzmenge.
2. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum eine Brennraummulde (14) aufweist und die Einspritzventile (2) möglichst nahe dem Zentrum (Z) des Brennraums angeordnet sind.
3. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzstrahlen der Voreinspritzung einen Kegel bilden, dessen Spitzkegelwinkel ( α1 ) kleiner ist als der Spitzenkegelwinkel ( α2) der Einspritzstrahlen der Haupteinspritzmenge.
4. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt für die Einspritzung der Voreinspritzmenge last- und drehzahl abhängig gesteuert wird.
5. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt für die Einspritzung der Voreinspritzmenge drehzahlabhängig gesteuert wird.
6. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt für die Einspritzung der Voreinspritzmenge lastabhängig gesteuert wird.
7. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Voreinspritzmenge drehzahl- und lastabhängig gesteuert wird.
8. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Voreinspritzmenge drehzahlabhängig gesteuert wird.
9. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Voreinspritzmenge lastabhängig gesteuert wird.
10. Kraftstoffeinspritzsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzdruck und die Einspritzgeometrie der Einspritzdüsen so aufeinander abgestimmt sind, daß der Kraftstoff im Brennraum direkt zerstäubt wird.
EP82111427A 1981-12-24 1982-12-09 Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoffdirekteinspritzung bei Brennkraftmaschinen Expired EP0083001B1 (de)

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EP0083001A1 true EP0083001A1 (de) 1983-07-06
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EP82111427A Expired EP0083001B1 (de) 1981-12-24 1982-12-09 Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoffdirekteinspritzung bei Brennkraftmaschinen

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