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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem mehrere zu dem Brennraum führende Einspritzöffnungen aufweisenden Kraftstoffeinspritzventil und mit einer Einrichtung zum Einleiten von Gas in den Brennraum nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher beschriebenen Art.
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Gattungsgemäße Vorrichtungen sind beispielsweise in der
US 5,048,497 , der
US 4,986,247 oder der
US 5,150,692 beschrieben. Dabei wird dem Einspritzventil beispielsweise aus einer Druckkammer Luft zugeführt, wodurch eine bessere Zerstäubung des Kraftstoffs und damit eine bessere Vermischung desselben mit der Luft erreicht werden soll, um letztendlich eine bessere Verbrennung der mit einer solchen Vorrichtung ausgestatteten Brennkraftmaschine zu erreichen.
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Mit den bekannten Vorrichtungen kann jedoch noch keine ausreichend gute und insbesondere keine kontrollierte Vermischung des Kraftstoffs mit der Luft erreicht werden, was dazu führt, dass die derzeit eingesetzten Brennkraftmaschinen zu hohe Abgasemissionen haben.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit welcher eine bessere Vermischung des Kraftstoffs mit dem zugegebenen Gas und damit letztendlich eine bessere Verbrennung erreicht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Spalts unmittelbar benachbart zu dem Kraftstoffeinspritzventil und insbesondere zu dessen Einspritzöffnungen und somit unmittelbar am Austritt des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffeinspritzventil ergibt sich eine sehr gute Vermischung des die Einspritzöffnungen des Kraftstoffeinspritzventils verlassenden Kraftstoffs mit dem zugeleiteten Gas, so dass die beim Einspritzen entstehenden Kraftstofftröpfchen äußerst fein zerstäubt bzw. verdampft werden, wodurch sich eine verbesserte Gemischbildung und -verteilung ergibt. Auf diese Weise liegt der eingespritzte Kraftstoff nach der Vermischung mit dem Gas vorzugsweise in gasförmiger Form vor, sodass der Kraftstoff beim nachfolgenden Verbrennungsvorgang mit erheblich weniger Verbrennungsrückständen verbrannt werden kann als dies bei bekannten Lösungen der Fall ist. Hierbei wird das zugeführte Gas durch den erfindungsgemäßen Spalt am einspritzseitigen Ende des Kraftstoffeinspritzventils mit dem Kraftstoff vermischt, was die Homogenität des Gemischs noch erheblich verbessert.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich an den Spalt eine Vertiefung in einer dem Kraftstoffeinspritzventil zugerichteten Wandung des Brennraums anschließt. Eine solche Vertiefung in der Brennraumwandung verhindert, dass sich das sich durch die Zuleitung des Gases ergebende Kraftstoff-Gas-Gemisch unmittelbar nach dem Austreten des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffeinspritzventil beliebig in dem Brennraum verteilt, was zu Verwirbelungen führen könnte. Vielmehr tritt das Gemisch zunächst in die Vertiefung ein, wo Verwirbelungen effektiv vermieden und die Vermischung des Kraftstoffs mit dem zugeführten Gas noch weiter verbessert wird.
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Als hinsichtlich der Gemischbildung besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Vertiefung im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet ist.
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Um innerhalb der Vertiefung eine zusätzliche Vermischung des Kraftstoffs mit dem zugeleiteten Gas zu erreichen, kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass von dem Spalt zu der Vertiefung mehrere Bohrungen zur Einleitung des Gases in die Vertiefung verlaufen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass in dem Spalt ein Ablenkelement angeordnet ist, welches mehrere Stege und zwischen den Stegen gebildete Nuten aufweist. Ein solches Ablenkelement ist in der Lage, das zugeführte Gas beispielsweise direkt auf eine der Einspritzöffnungen zu leiten, um eine noch bessere Vermischung des Gases mit dem aus den Einspritzöffnungen austretenden Kraftstoff zu erreichen. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Ausführungen des Ablenkelements möglich, die von den jeweiligen Anforderungen an die Gemischbildung abhängen.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Spalt und dem Brennraum ein Sieb angeordnet ist. Ein derartiges Sieb am Eintritt in den Brennraum sorgt für eine weitere Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs und somit für eine bessere Vermischung desselben mit dem zugeführten Gas.
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Um zu den gewünschten Zeitpunkten ein unter einem hohen Druck stehendes Gas in den Spalt leiten zu können, kann in einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Gaszufuhrleitung mit einem Druckgasspeicher verbunden ist, wobei sich zwischen dem Druckgasspeicher und dem Spalt ein Steuerventil befindet.
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Wenn dabei vorgesehen ist, dass innerhalb des Druckgasspeichers eine Heizeinrichtung angeordnet ist, so wird durch die hohe Temperatur des zugeführten, unter Druck stehenden Gases eine weitere Unterstützung der Gemischbildung erzielt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass der Druckgasspeicher mit einem Kompressor verbunden ist, wobei zwischen dem Kompressor und dem Druckgasspeicher ein Rückschlagventil angeordnet ist, und wobei von dem Druckgasspeicher eine Auslassleitung ausgeht, in welcher ein Druckbegrenzungsventil angeordnet ist. Mittels einer solchen Ventilanordnung lässt sich eine optimale Steuerung der beschriebenen Vorgänge zur Einbringung des eingeleiteten Gases und zur Vermischung desselben mit dem eingespritzten Kraftstoff erzielen.
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Wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass der in der Gaszufuhrleitung herrschende Druck fünf bis zehn Mal größer als der maximale Druck in dem Brennraum während der Kraftstoffeinspritzung ist, so ist die gewünschte Vermischung des Kraftstoffs mit dem Gas gewährleistet, wobei die Wirksamkeit des Einspritzverfahrens mit zunehmendem Druckunterschied zwischen dem in der Gaszufuhrleitung herrschenden Druck und dem Brennraumdruck ansteigt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine; und
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2 eine zur Zuführung und Steuerung des in den Brennraum eingeleiteten Gases verwendete Anordnung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum 2 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Als Kraftstoff kann jede zur Verbrennung in Brennkraftmaschinen geeignete Kraftstoffart zum Einsatz kommen. Die Vorrichtung 1 weist ein Kraftstoffeinspritzventil 3 auf, welches in an sich bekannter Weise ausgebildet sein kann und mehrere zu dem Brennraum 2 führende Einspritzöffnungen 4 aufweist. Die Anzahl und die Anordnung der Öffnungen 4 des Kraftstoffeinspritzventils 3 ist als rein zufällig ausgewählt anzusehen und kann sich je nach Verwendungszweck ändern. Auch die Art und Weise der Einspritzung des Kraftstoffs kann in an sich bekannter Weise erfolgen.
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Die Vorrichtung 1 weist des Weiteren eine Einrichtung 5 auf, welche zum Einleiten eines Gases in den Brennraum 2 dient und eine Gaszufuhrleitung 6 aufweist. Die Gaszufuhrleitung 6 verläuft durch eine den Brennraum 2 nach oben begrenzende Wandung 7, die zu dem in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gehört und das Brennraumdach bildet. Als Gas wird vorzugsweise unter Druck stehende Luft verwendet, es ist jedoch auch möglich, die Brennkraftmaschine verlassendes Abgas oder ein anderes, in einem geeignetem Behälter mitgeführtes Gas über die Gaszufuhrleitung 6 zu den Einspritzöffnungen 4 zu leiten. Auch eine Mischung von Luft bzw. einem anderen Gas und Abgas kann als das über die Gaszufuhrleitung 6 zugeführte Gas eingesetzt werden.
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Wie in dem Schnitt gemäß 1 ebenfalls erkennbar ist, mündet die Gaszufuhrleitung 6 in einen Spalt 8, der sich auf der dem Brennraum 2 zugerichteten Seite des Kraftstoffeinspritzventils 3 befindet, zwischen der Wandung 7 des Brennraums 2 und dem Kraftstoffeinspritzventil 3, und um den gesamten Umfang des Kraftstoffeinspritzventils 3 unterhalb desselben vorgesehen ist. Der Spalt 8 weist einen umlaufenden, oberen Ringabschnitt 8a und einen unteren Abschnitt 8b mit einer im wesentlichen zylindrischen Form auf, wobei ein Vorsprung 9 des Kraftstoffeinspritzventils 3, an dem sich die Einspritzöffnungen 4 befinden, in den unteren Abschnitt 8b des Spalts 8 ragt und in demselben eine Verengung 10 erzeugt. Das über die Gaszufuhrleitung 6 in den Spalt 8 eingeleitete, unter Druck stehende Gas vermischt sich in dem Spalt 8, insbesondere in dem Bereich der Verengung 10, mit dem über die Einspritzöffnungen 4 eingespritzten Kraftstoff, wodurch ein sehr homogenes Kraftstoff-Gas-Gemisch gebildet wird.
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An den Spalt 8 schließt sich im vorliegenden Fall eine Vertiefung 11 an, die sich in der dem Kraftstoffeinspritzventil 3 zugerichteten Wandung 7 des Brennraums 2, also in dem Brennraumdach, befindet. Durch die Vertiefung 11 ist das Kraftstoffeinspritzventil 3 gegenüber dem Brennraum 2 zurückversetzt. Die Vertiefung 11 ist vorzugsweise im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet, wobei deren Mantelfläche einen Winkel α ausbildet, der mindestens so groß sein sollte, wie der Winkel zwischen den am weitesten voneinander entfernten Einspritzstrahlen, so dass ein Auftreffen des Kraftstoffs auf die Mantelfläche der Vertiefung 11 verhindert und die Form der Einspritzstrahlen nicht verändert wird. In der Vertiefung 11 ergibt sich eine weitere Vermischung des über die Gaszufuhrleitung 6 zugeführten Gases mit dem eingespritzten Kraftstoff, wobei aufgrund der im Vergleich mit dem Brennraum 2 geringen Größe der Vertiefung 11 Verwirbelungen verhindert werden. Die Vertiefung 11 kann bei der mechanischen Bearbeitung des Zylinderkopfs in sehr einfacher Weise erzeugt werden.
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Von dem Spalt 8 verlaufen mehrere um den Umfang des Spalts 8 verteilt angeordnete Bohrungen 12, die zur Einleitung des Gases in die Vertiefung 11 dienen. Beispielsweise können sechs um den Umfang des Spalts 8 angeordnete Bohrungen 12 vorgesehen sein, die in gleichmäßigen Winkelabständen voneinander angeordnet sind.
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Des Weiteren ist in 1 erkennbar, dass zwischen dem Spalt 8 und dem Brennraum 2 an der Unterseite der Vertiefung 11 ein Sieb 13 angeordnet ist, welches für eine weitere Zerstäubung des in dem Kraftstoff-Gas-Gemisch enthaltenen Kraftstoffs sorgt.
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In 2 ist eine Draufsicht auf ein Ablenkelement 14 dargestellt, welches in dem Spalt 8 angeordnet sein kann und welches mehrere Stege 15 und zwischen den Stegen 15 gebildeten Nuten 16 aufweist. Durch die Stege 15 kann das über die Gaszufuhrleitung 6 in den Spalt 8 eingeleitete Gas gezielt geführt werden, beispielsweise in Richtung einer der Einspritzöffnungen 4. Auf das Ablenkelement 14 kann bei entsprechenden Ausführungsformen der Vorrichtung 1 jedoch auch verzichtet werden.
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3 zeigt die Versorgung und Steuerung der Zufuhr des Gases in Richtung der Einspritzöffnungen 4. Daraus geht hervor, dass die Gaszufuhrleitung 6 mit einem ebenfalls zu der Einrichtung 5 zum Einleiten eines Gases in den Brennraum 2 gehörenden Druckgasspeicher 17 verbunden ist, und dass sich zwischen den Druckgasspeicher 17 und dem Spalt 8 ein Steuerventil 18 befindet. Das Steuerventil 18 ist dafür vorgesehen, das unter Druck stehende Gas zu den richtigen Zeitpunkten in Abhängigkeit von der über das Kraftstoffeinspritzventil 3 erfolgenden Einspritzung in den Spalt 8 freizugeben und nach erfolgter Einleitung des Gases zu schließen. Vorzugsweise liegt der zeitliche Beginn der Zuführung des Gases eine gewisse Zeitdauer vor dem Beginn des Einspritzvorgangs von Kraftstoff, das zeitliche Ende der Zuführung des Gases liegt eine gewisse Zeitdauer nach dem Ende des Einspritzvorgangs des Kraftstoffs, d. h. das Gas wird über einen längeren Zeitraum zugeführt als der Kraftstoff.
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Der Druckgasspeicher 17 ist mit einem Kompressor 19 verbunden, der das über eine Leitung 20 demselben zugeführte Gas komprimiert und dem Druckgasspeicher 17 zuführt. Das dem Druckgasspeicher 17 über die Leitung 20 zugeleitete Gas kann prinzipiell an einer beliebigen Stelle entnommen werden, es ist jedoch auch möglich, in einem Kraftfahrzeug bereits vorhandene Bauteile als Druckgasspeicher 17 zu verwenden. Zwischen dem Kompressor 19 und dem Druckgasspeicher 17 ist ein Rückschlagventil 21 vorgesehen, welches ein Austreten des Gases aus dem Druckgasspeicher 17 in Richtung des Kompressors 19 verhindert. Des Weiteren geht von dem Druckgasspeicher 17 eine Auslassleitung 22 aus, in welcher ein Druckbegrenzungsventil 23 angeordnet ist, das bei einem bestimmten Druck öffnet und somit die Entstehung eines Überdrucks in dem Druckgasspeicher 17 verhindert.
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Der Druckgasspeicher 17 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel außerdem mit einer Heizeinrichtung 24 ausgestattet, welche vorzugsweise als elektrische Heizeinrichtung 24 ausgebildet sein kann. Durch die Heizeinrichtung 24 wird das sich in dem Druckgasspeicher 17 befindliche Gas erwärmt, wodurch der Effekt der Vermischung des Kraftstoffs mit dem zugeführten Gas weiter verbessert wird. Eine solche Verbesserung der Vermischung lässt sich auch durch eine Erhöhung des Drucks des zugeführten Gases erreichen, wobei vorzugsweise der in der Gaszufuhrleitung 6 herrschende Druck 5 bis 10 mal größer als der maximale Druck in den Brennraum 2 ist. Die von dem Druckgasspeicher 17 ausgehende Gaszufuhrleitung 6 ist dabei für jeden einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine vorgesehen, sodass die Zufuhr des unter Druck stehenden Gases zylinderselektiv erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5048497 [0002]
- US 4986247 [0002]
- US 5150692 [0002]
