DE19816339A1

DE19816339A1 - Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für Motoroptimierung und Schadstoffreduzierung

Info

Publication number: DE19816339A1
Application number: DE1998116339
Authority: DE
Inventors: Tjeerd Ijsselstein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-11
Filing date: 1998-04-11
Publication date: 1999-10-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Motor, mit einer Kraftstoffzuführung und einer damit verbundenen Einspritzdüse, die mit mindestens einem Kraftstoffaustritt versehen ist, wobei mindestens ein Kraftstoffaustritt aufweisender Bereich der Einspritzdüse, der drehbar ausgebildet ist und über eine Antriebskraft in Drehung radial und/oder axial versetzbar ist, vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ent sprechend des Oberbegriffes des Hauptanspruches.

Entsprechende Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen sind hinlänglich aus der Praxis bekannt und verwenden mindestens eine Düse, die in den Brennraum des Motors, z. B. Schiffsmotors hineinragt, und diese Düse steht mit einem Kraftstoffvorrat über eine Kraft stoffzuführungsleitung in Verbindung. Über die Düse wird Kraft stoff in den Brennraum eingespritzt und diese Düse kann eine oder mehrere Austrittsöffnungen für den Kraftstoff aufweisen.

Dort, wo beim Ausspritzvorgang in dem Brennraum Brennstoff vorhanden ist (d. h. Brennstoff sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Form vorliegt), ist nach erfolgter Zündung die Temperatur sehr hoch und aufgrund der Verbrennungsvorgänge herrscht ein Mangel an Sauerstoff sowie ein Überschuß an N₂. Hierdurch bedingt wird in diesem Bereich mit hohem, einge spritzten Kraftstoffgehalt eine hohe Menge an NO, NO₂ NO_x, an C_nH_n sowie an CO, CO₂ sowie Rußpartikel und auch SO_x pro duziert, wodurch die Qualität des Abgases deutlich verschlech tert wird.

In den Bereichen des Verbrennungsraumes, in dem sich nicht diese Wolke aus flüssigem bzw. gasförmigen Brennstoff direkt nach dem Ausspritzvorgang befindet, herrscht kein Mangel an Sauerstoff und die Temperatur ist relativ gering.

Um eine effektivere Ausnutzung des eingespritzten Kraftstoffes zu erhalten und um die Qualität der entstehenden Verbren nungsgase zu erhöhen, d. h. den Schadstoffausstoß zu vermin dern, ist es aus der Praxis bekannt, mehrere Austrittsöffnungen für den Kraftstoff in der Düsenspitze anzuordnen, um eine mög lichst intensive Verteilung des Kraftstoffes im gesamten Brenn raum zu erhalten. Der Verteilung von Kraftstoffausspritzöffnun gen in der Düsenspitze sind jedoch von der Konstruktion her Grenzen gesetzt, um die erforderliche Stabilität der Düsen spitze auch bei hohen Einspritzdrücken zu gewährleisten. Außerdem ist eine gute Verteilung insbesondere bei kleinen, eingespritzten Mengen nicht zufriedenstellend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung auszubilden, die sowohl eine hohe Stabilität auch bei hohen Einspritzdrücken aufweist und trotz dem eine Optimierung von Kraftstoff-Verbrennungsluftgemisch in der Brennkammer und eine damit verbundene Schadstoff reduzierung ermöglicht.

Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Lehre des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches ge löst.

Mit anderen Worten ausgedrückt wird eine Düse für eine Kraft stoff-Einspritzvorrichtung zur Motoroptimierung und Schad stoffreduzierung vorgeschlagen, die beweglich angeordnet ist, so daß der Bereich, in dem sich die Kraftstoffausspritzöffnungen der Düse befinden, bewegbar ausgebildet ist und beim Aus spritzvorgang kann somit eine Drehung der Düse erfolgen, so daß der ausgespritzte Kraftstoff bei der Abgabe aus der Düse aufgrund der Schleuderwirkung großflächig innerhalb des Brennraumes verteilt werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß auch bei sehr kleinen Einspritzmengen eine optimale Verteilung stattfindet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen erläutert.

Über Mikrorechner, wie z. B. "SDIC 2005 Air/Fuel Ratio Con trols", ist dabei die Möglichkeit gegeben, innerhalb der Brenn kammer das Gemisch Kraftstoff/Luft weiter zu optimieren, wobei die Regelung von Drehung, Neigungen des Düsenaustritts und Öffnungsdruck der Düse (mittels Federspannungsänderung) übernommen und überwacht wird mit dem Ergebnis, daß das Verhältnis zwischen Kraftstoff und Frischluft in der Brennkam mer weiterhin optimiert wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist, daß ihrerseits die Austrittsöffnungen in der Düse bewegbar aus gebildet sind, so daß der Winkel des Kraftstoffaustrittes verän derbar ist, beispielsweise in Abhängigkeit der Düsenwinkel im Zylinderraum oder von der Stellung des Kolbens im Verbren nungsraum.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend in den Zeichnungen beschrieben, wobei

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Einspritzdüse zeigt,

Fig. 2 zeigt den Bereich der Einspritzdüse, in dem sich die Kraftstoffaustritte befinden und

Fig. 3 zeigt in einer Aufsicht die Düsenspitze und der daraus austretende Kraftstoff.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist eine Kraftstoff-Einspritzdüse 1 dargestellt, die im wesentlichen aus einem länglichen Düsen ventil 2 und einem das Düsenventil 2 im wesentlichen umge benden Düsenbehälter 3 besteht. An einer Düsenspitze 4 befin den sich beispielsweise vier Düsenöffnungen 5a bis 5d, wie insbesondere auch aus Fig. 3 ersichtlich wird.

Die dargestellte Einspritzdüse 1 ist in einer Wandung 6 montiert, die den Brennraum 7 begrenzt.

Das Düsenventil 2 mitsamt der daran angeordneten Düsenspit ze 4 ist drehbar in dem fest angeordneten Düsenbehälter 3 an geordnet, wie die Pfeile 8 andeuten und hierzu ragt der der Düsenspitze 4 abgewandte Teil des Düsenventiles 2 über den Düsenbehälter 3 hinaus und weist in diesem Ausführungsbei spiel eine Verzahnung 9 auf, die in ein in dieser Zeichnung nicht dargestelltes Antriebsritzel eines Antriebes eingreift, so daß bei einem sich rotierenden Antriebsritzel das Düsenventil 2 in Ro tation versetzt werden kann.

Selbstverständlich sind auch weitere Antriebsmöglichkeiten für das Düsenventil 2 bzw. für die Düsenspitze 4 möglich, d. h. weitere Fremdantriebe oder Antriebe, die durch die Energie des Kraftstoffflusses angetrieben werden. Wichtig ist, daß zumindest der Bereich der Einspritzdüse 1 bewegbar ausgebildet ist, in dem die Düsenöffnungen 5 angeordnet sind.

Über eine Kraftstoffzuführleitung 10 wird der Einspritzdüse 1 Kraftstoff zugeführt und gelangt durch einen Kanal 11 in den Be reich der Düsenspitze 4. Auch wenn der Kanal 11 nicht auf der gleichen Höhe wie die Kraftstoffzufuhrleitung 10 ist, kann Kraft stoff zur Düsenspitze 4 gelangen aufgrund einer umlaufenden Nut 12, die über die Zuführleitung 10 stets mit Kraftstoff gefüllt wird und in Verbindung mit dem Kanal 11 bestehend ausgebildet ist.

Eine Düsennadel 14 regelt die Kraftstoffabgabe der Einspritzdü se 1, und diese Düsennadel 14 wird von einer Düsenfeder 15 beaufschlagt, die wiederum von einem Stößel 16 beaufschlagt wird, der von einem Nocken 17 bewegt wird, d. h. bei einer Drehung des Nockens 17 wird über den Stößel 16 die Düsen feder 15 mehr oder weniger vorgespannt. So wird der Öff nungsdruck der Düse 1 ein- bzw. nachgestellt, z. B. automatisch an den jeweiligen Ist-Zustand des Motors, z. B. entsprechend der jeweiligen Kolbenstellung oder des jeweiligen Arbeitstaktes des Motors. Auch kann hierdurch ein unterschiedliches Ein spritzverhalten bei kaltem/warmem Motor oder unterschiedlichen Brennstoffen erreicht werden. Anstatt der Feder 15 oder des Nockens 17 können auch andere Rückstellelemente oder Be tätigungselemente für diese Verstellbarkeit erreicht werden.

Das sich im Düsenbehälter 3 drehende Düsenventil 2 wird über Lagerungen 18 in dem feststehenden Düsenbehälter 3 gehalten, wobei diese Lagerungen zum Teil auch eine Abdichtungsfunk tion für den Kraftstoff haben. Über Abflußbohrungen 29, 30 wird Öl bzw. Kraftstoff, der an undichten Stellen an den Dichtungsflä chen angefallen ist, wieder abgeführt.

Der Düsenöffnung 5b ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein Betätigungsfeld 19 zugeordnet, das einen Austritts kanal 20 für den Kraftstoff aufweist, wobei der Austrittskanal 20 einen geringeren Durchmesser hat als die Düsenöffnung 5b.

Das Betätigungsfeld 19 kann über ein Gestänge 21 und 22 be wegt werden, wobei sich in diesem Ausführungsbeispiel eine Hin- und Herbewegung ergibt, so daß hierdurch der Ausstoß winkel des ausgestoßenen Kraftstoffes veränderbar ist. Das Gestänge 21, 22 liegt an der Oberseite auf einem Nockenring 23 auf, der eine zum Gestänge 21, 22 weisende, kulissenartige Oberfläche 24 aufweist und über eine Feder 25 wird die Ober seite des Gestänges gegen die Oberfläche des Nockenringes 23 bzw. der kulissenartigen Oberseite 24 gepreßt. Bei einer Rotation des Düsenventiles 2 mitsamt des Gestänges 21, 22 läuft das Gestänge somit an der Oberfläche des Nockenringes 23 ab und entsprechend der Ausformung des Nockenringes 23 wird hierdurch über das Gestänge 21, 22 das Betätigungsfeld 19 mitsamt des Austrittskanales 20 bewegt und es erfolgt ein Ausstoß des Kraftstoffes in unterschiedlichen Winkelstellungen.

Je nach Motor, in dem diese Düse 1 eingesetzt werden soll kann der Nockenring 23 gegen einen Nockenring mit einer an deren Nockenoberseite ausgetauscht werden, um eine gute An passung an den jeweiligen Einsatzzweck zu erhalten. Es ist bei spielsweise eine derartige Bewegung des Betätigungsfeldes 19 vorteilhaft, daß der Kraftstoffausstoß des in dem Brennraum eingespritzten Kraftstoffes stets auf Mulden gerichtet ist, die sich in der Kolbenoberfläche befinden, und bei einer Aufwärtsbewe gung des Kolbens verändert sich mit dieser Bewegung auch der Einspritzwinkel der Einspritzdüse, so daß stets eine gezielte Einspritzung in die Mulden des sich bewegenden Kolbens er folgt.

Selbstverständlich kann die Ansteuerung der Düsen zur Verän derung des Einspritzwinkels auch auf andere Art und Weise ausgeführt werden als in dem oben beschriebenen Ausfüh rungsbeispiel. Es ist selbstverständlich möglich, daß sämtliche Düsen der Einspritzdüse mit entsprechenden Betätigungsfeldern 19 versehen sind bzw. beweglich angeordnet sind, um eine Richtungsänderung des eingespritzten Kraftstoffes zu ermög lichen.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist in größerer Darstellung die Dü senspitze 4 dargestellt mitsamt der Düsennadel 14, dem Betäti gungsfeld 19 sowie dem Gestängeunterteil 21. Darüber hinaus sind zwei Brennkegel dargestellt, die den Bereich verdeutlichen sollen, in dem die Kraftstoffkonzentration sowohl in gasförmiger als auch flüssiger Phase kurz nach dem Kraftstoffeinspritzen besonders hoch ist. In diesem Bereich der Brennkegel ist die Temperatur besonders hoch und es herrscht Sauerstoffmangel und N₂ Überschuß.

Bezugnehmend auf Fig. 3 ist eine Aufsicht auf die Spitze der Einspritzdüse 1 dargestellt, wobei diese Einspritzdüsenspitze mit vier Düsenöffnungen 5a bis 5d versehen ist, und in ent sprechender Weise gibt es beim Einspritzen vier Brennkegel 26. Die zwischen den Brennkegeln 26 angeordneten Bereiche zeichnen sich durch eine relativ geringe Temperatur und durch einen ausreichenden Sauerstoffgehalt aus. Durch die Rotation der Einspritzdüse 1 beim Einspritzen des Kraftstoffes wird er reicht, daß nunmehr von den Brennkegeln 26 auch die zwischen den Brennkegeln 26 angeordneten Bereiche 27 erfaßt werden, d. h. daß eine bessere Verteilung des eingespritzten Brennstof fes in dem Brennraum erfolgen kann. Es erfolgt somit eine Ein spritzung und auch durch die Rotation der Düse 1 ein Schleu dern des Kraftstoffes in dem Brennraum, so daß letztendlich der gesamte, durch den Kreis 28 dargestellte Bereich gut mit Kraft stoff bedient wird und es sich bei der Fig. 3 im Sinne der vorge schlagenen Vorrichtung nur um eine kurzzeitige Momentanauf nahme handelt, jedoch tatsächlich durch die Drehung der Ein spritzdüse der gesamte Raum mit Kraftstoff angereichert wird, der mit 28 gekennzeichnet ist. Beim Stand der Technik wäre die Einspritzung gemäß Fig. 3 die maximal erreichbare Verteilung des eingespritzten Kraftstoffes innerhalb des Brennraumes, wenn vier Einspritzdüsenöffnungen verwendet würden.

Selbstverständlich kann jeder beliebige Kraftstoff auch unter Zumischung von Fremdstoffen für diese Düse verwendet wer den. Die Einspritzdüsen 1 sind vorzugsweise so auszulegen, daß auch Standard-Düsenspitzen verwendet werden können.

Claims

1. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für einen Motor, mit einer Kraftstoffzuführung und einer damit verbundenen Ein spritzdüse, die mit mindestens einem Kraftstoffaustritt ver sehen ist, gekennzeichnet durch den mindestens einen Kraftstoffaustritt aufweisenden Bereich der Einspritzdüse (1), der drehbar ausgebildet ist und über eine Antriebskraft in Drehung versetzbar ist.

2. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß Anspruch 1, gekenn zeichnet durch einen Düsenbehälter (3), der zumindest teilweise die Seitenwandungen der Einspritzdüse (1) um gebend angeordnet ist.

3. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß Anspruch 2, gekenn zeichnet durch ein Düsenventil (2), dessen einer Düsen spitze (4) abgewandtes rückseitiges Ende über den Dü senbehälter (3) herausragend ausgebildet ist und eine Ausbildung für die kraftschlüssige Verbindung mit einem Antrieb aufweist.

4. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß Anspruch 3, gekenn zeichnet durch die verzahnte Ausbildung des rückseitigen Endes des Düsenventiles (2).

5. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß einem der vorherge henden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Kraftstoffaustritt der Einspritzdüse (1), dessen Lage zur Einspritzdüse (1) veränderbar ausgebildet ist.

6. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß Anspruch 5, gekenn zeichnet durch die Anordnung des Kraftstoffaustrittes in einem bewegbar angeordneten Betätigungsfeld (19).

7. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß Anspruch 5, gekenn zeichnet durch das Betätigungsfeld (19), das schwenkbar in der Einspritzdüse (1) gehalten ist.

8. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Zwangssteuerung des Betäti gungsfeldes (19) in Abhängigkeit von der jeweiligen Po sition der Einspritzdüse (1).

9. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß einem der vorherge henden Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch einen Stößel bzw. Gestänge (21, 22), das einenendes mit dem Betätigungsfeld (19) verbunden ist und beispielsweise anderenendes von einem Nockenring (23) beaufschlagt ist.

10. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß Anspruch 9, gekenn zeichnet durch den sich mit der Einspritzdüse (1) rotieren den Stößel, dessen Kontaktfläche auf dem feststehenden Nockenring (23) ablaufend angeordnet ist.

11. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein gesamtes Düsenventil (2), das drehbar gelagert ist.

12. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Fremdantrieb für die Drehung zumindest von Teilbereichen der Einspritzdüse (1).

13. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß einem der vorherge henden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Antrieb zumindest von Teilbereichen der Einspritzdüse (1) durch den Kraftstofffluß.

14. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß einem der vorherge henden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine den Kraft stoffzufluß zu dem Kraftstoffaustritt regelnde Düsennadel (14), auf die ein Rückstellelement wirkend ausgebildet ist, das gegen die Öffnungsbewegung der Düsennadel (14) wirkt, wobei die Rückstellkraft über ein Stellorgan automa tisch an den jeweiligen lst-Zustand des Motors anpaßbar ist.

15. Kraftstoff-Einspritzvorrichtung gemäß Anspruch 14, ge kennzeichnet durch eine Düsenfeder (15) als Rückstell element, auf die ein Stößel (16) wirkt, der von einem dreh baren Nocken (17) hin- und herbewegbar ist.