DE19981151B4

DE19981151B4 - Direkteinspritzender Dieselmotor mit tumblegestütztem Brennverfahren

Info

Publication number: DE19981151B4
Application number: DE19981151T
Authority: DE
Inventors: Manfred DÜRNHOLZ; Michael Krüger; Rainer Kwasny; Frank Wunderlich
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 1998-06-19
Filing date: 1999-06-07
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2019-06-08
Also published as: DE19981151D2; US6336438B1; DE19827463A1; JP2002519555A; WO1999067515A1

Abstract

Dieselmotor, dessen einzelne Zylinder (1) einen durch Kolbenboden (13) und Zylinderkopf (3) begrenzten Brennraum (2) aufweisen und jeweils mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung versehen sind, deren Einspritzdüse (21) von oben durch den Zylinderkopf (3) in den Brennraum (2) ausmündet und die mit mehreren Düsenöffnungen versehen ist, ferner mit wenigstens einem Auslaßventil (9) und wenigstens einem Einlaßventil (7) je Zylinder, denen im Zylinderkopf (3) jeweils entsprechend verlaufende Kanäle (6, 8) zugeordnet sind, die geneigt in den Brennraum (2) einmünden, wobei die zylinderkopfseitige Begrenzung (5) des Brennraums (2) einerseits zumindest in ihrem wesentlichen Bereich und der den Brennraum (2) begrenzende Kolbenboden (13) entsprechend der zylinderkopfseitigen Begrenzung (5) des Brennraums (2) andererseits dachförmig ausgebildet ist, so daß der durch den Zylinderkopf (3) einerseits und den Kolbenboden (13) andererseits begrenzte Brennraum (2) des Zylinders (1) so gestaltet ist, daß die Ladungsbewegung im Brennraum (2) einen Drall um die Zylinderachse mit dem Wert CU/CA ≤ 0,5 und...

Description

Bei direkteinspritzenden Dieselmotoren besteht die Forderung, neben einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs auch die Emissionen zu reduzieren. Hierbei kommt es sehr darauf an, daß dem einzuspritzenden Dieselkraftstoff eine möglichst lange freie Strahllänge zur Verfügung steht und möglichst kein Kraftstoff auf die Zylinderwände gelangt, um so ein möglichst gleichmäßiges Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzielen.
Zur guten Gemischaufbereitung ist es beispielsweise aus EP-A-O 634 572 bekannt, bei einer im wesentlichen ebenflächigen Begrenzung des Brennraums durch den Zylinderkopf die Einlaßkanäle so zu führen, daß die in den Zylinder einströmende Luft eine starke Drallbewegung um die Zylinderachse erhält, die auch noch dann wirksam ist, wenn der Kraft-stoff eingespritzt wird. Dies ist jedoch nur mit einem geometrisch komplizierten Zylinderkopf zu bewerkstelligen.
Aus DE-A-4 241 104 ist ein Dieselmotor bekannt, dessen Zylinder einen verlaufenden Brennraum aufweist, der zylinderkopfseitig zwei in der Höhe versetzt zueinander angeordnete Stufen aufweist, wobei in der hochliegenden Stufenfläche das Einlaßventil und in der tiefer liegenden Stufenfläche das Auslaßventil jeweils mit den zugehörigen Gasführungskanälen ausmündet. Der Kolbenboden ist entsprechend stufenförmig ausgeführt. Der jeweilige Übergangsbereich zwischen der einen Stufe zur anderen Stufe ist sowohl am Zylinderkopf wie auch am Kolbenboden mit einer Hinterschneidung versehen, so daß bei einer oberen Totpunktstellung des Kolbens ein sich quer zur Zylinderachse erstreckender im wesentlichen zylindrischer Brennraum ergibt, in den in Achsrichtung des Brennraums, also quer zur Zylinderachse, die Einspritzdüse ausmündet. Auch diese Bauform erfordert einen kompliziert gestalteten Zylinderkopf und kompliziert gestaltete Kolben.
Aus DE-A-19 537 028 ist ein gegenüber DE-A-4 241 104 abgewandelter Dieselmotor bekannt, bei dem wiederum die Einlaßventile gegenüber den Auslaßventilen höher angeordnet sind, jedoch die zylinderkopfseitige Begrenzung des Brennraums auf der Einlaßseite gegenüber der Zylinderachse geneigt ausgerichtet und auf der Auslaßseite horizontal verlaufend ausgerichtet ist. Der zugehörige Kolbenboden ist in seiner Kontur entsprechend ausgebildet, wobei sich die der Auslaßseite zugeordnete, im wesentlichen horizontale Kolbenbodenfläche bis in den Einlaßbereich erstreckt, so daß in der oberen Totpunktstellung ein quer zur Zylinderachse verlaufender Walzenbrennraum entsteht, in den quer zur Zylinderachse Kraftstoff eingespritzt wird. Auch diese Brennraumgestaltung erfordert geometrisch komplizierte Zylinderköpfe und Kolben mit zerklüftet gestalteten Kolbenböden.
Aus DE-C-44 05 664 ist eine Motorkonzeption bekannt, bei der jeweils vor dem Gaseinlaßventil im Gasauslaßkanal eine ansteuerbare Stelleinrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe das Strömungsverhalten der Luft so beeinflußt werden kann, daß die bei geöffnetem Gaseinlaßventil in den Brennraum eintretende Luft eine Drallströmung oder eine Tumbleströmung bildet. Auch Mischformen durch eine Überlagerung von Drall- und Tumblekomponenten können eingestellt werden. Der Bauaufwand hierfür ist erheblich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen direkteinspritzenden Dieselmotor zu schaffen, der aufgrund seiner Brennraumgestaltung ein Dieselbrennverfahren bewirkt, das hohe Mitteldrücke bei sehr günstigem Kraftstoffverbrauch und niedrigen Emissionen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Dieselmotor mit der im Anspruch 1 angegebenen Bauform. CU bezeichnet die Umfangsgeschwindigkeitskomponente einer Drallströmung und CA entsprechend die axiale Geschwindigkeitskomponente, so daß das Verhältnis CU/CA ein Maß für die Intensität einer Drallströmung darstellt. In Analogie zur Drallströmung gibt CT die tangentiale Geschwindigkeitskomponente des Tumble oder Walzenwirbels an, während CA wiederum die axiale Geschwindigkeitskomponente wiedergibt. Das Verhältnis CT/CA stellt das Maß für die Intensität der Tumbleströmung dar. Die Messung der Tumble-Strömungen kann beispielsweise mit der in DE-A-41 33 277 beschriebenen Vorrichtung vorgenommen werden.
Durch diese Gestaltung des Brennraums in Verbindung mit einer Aufteilung des einzuspritzenden Kraftstoffs in eine Vielzahl von Einzelstrahlen gelingt es, eine optimale Gemischbildung im Brennraum mit einem weitgehend homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen. Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn der Kraftstoff mit sehr hohem Druck in den Brennraum eingespritzt wird, wie er mit Hilfe von sogenannten Common-Rail-Einspritz-systemen mit Drücken über 1000 bar realisierbar ist. Insbesondere die Einlaßkonfiguration mit zwei im wesentlichen parallel verlaufenden, geneigt in den Brennraum einmündenden Einlaßkanälen bewirkt, daß für einen direkteinspritzenden Dieselmotor die homogene Gemischbildung durch eine sogenannte Tumblebewegung erzielt wird. Die zylinderkopfseitige Begrenzung des Brennraum kann zumindest teilweise eben ausgebildet sein, wie es von klassischen Dieselmotoren bekannt ist. Die erzielten indizierten Mitteldrücke liegen beispielsweise bei einer Drehzahl von 1500 RPM im Bereich von 12 bis 14 bar, bei 2000 RPM im Bereich von 15 bis 18 bar und bei 4000 RPM im Bereich von 10 bis 13 bar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einer zumindest in ihrem wesentlichen Bereich dachförmig ausgebildeten zylinderkopfseitigen Begrenzung des Brennraums in den Brennraum in einer Dachfläche wenigstens ein Einlaßkanal einmündet und in der anderen Dachfläche wenigstens ein Auslaßkanal einmündet. Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn der dachförmig ausgebildete Begrenzungsbereich jeweils neben dem ""Traufenbereich" der Dachfläche ebenflächig ausgebildet ist. Der Kolbenboden ist entsprechend der zylinderkopfseitigen Begrenzung des Brennraums ausgebildet. Es hat sich herausgestellt, daß diese von Ottomotoren abgeleitete und für das Dieselverfahren angepaßte Brennraumgestaltung bei Einhaltung der vorstehend angegebenen Bedingungen für die Ladungsbewegung mit CU/CA ≤ 0,5 und CT/CA ≥ 0,5 für das Dieselverfahren sehr gute Werte hinsichtlich Leistung, Kraftstoffverbrauch und niedriger Emis-sion ergibt.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß der Kolbenboden eine Mulde, vorzugsweise eine topfförmige Mulde, aufweist. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Mulde eine im wesentlichen kreiszylindrische Form und einen ebenflächigen Boden aufweist. Bei einem teilweise dachförmig ausgebildeten Kolbenboden ist die Mulde im Bereich der Zylinderachse angeordnet, so daß nur die verbleibenden äußeren Randbereiche dachförmig ausgebildet sind, während anschließend an den "Traufenbereich" der Dachform ein ebenflächiger Abschluß zur Zylinderwandung entsprechend der Kontur der zylinderkopfseitigen Begrenzung gegeben ist.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die vertikale Achse der Mulde mit der vertikalen Achse der Einspritzeinrichtung zusammenfällt, wobei es insbesondere zweckmäßig ist, daß die Vertikalachse der Einspritzeinrichtung mit Abstand in Richtung auf das Auslaßventil versetzt angeordnet ist.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Vertikalschnitt durch einen Zylinder,
2 einen Vertikalschnitt durch den oberen Bereich eines Kolbens entlang der Zylinderachse,
3 eine zugeordnete Aufsicht auf den Kolben gemäß 2,
4 eine ausgebildete Drallströmung am Ende der Ansaugphase,
5 eine ausgebildete Tumbleströmung,
6 schematisch die Entwicklung einer Tumbleströmung in der Ansaugphase,
7 die Anordnung der Düsenöffnungen an einer Einspritzdüse,
8 eine abgewandelte Anordnung der Düsenöffnung,
9 eine Anordnung der Düsenöffnung mit unterschiedlichem Abstand zueinander.
In 1 ist ein Zylinder 1 eines Dieselmotors in einem Vertikalschnitt dargestellt, dessen Brennraum 2 durch einen Zylinderkopf 3 einerseits und einen Kolben 4 andererseits begrenzt ist. Die Begrenzungsfläche 5 des Brennraums 2 im Zylinderkopf 3 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dachförmig ausgebildet, wobei in der einen Dachfläche 5.1 ein oder auch zwei parallel nebeneinander verlaufende Einlaßkanäle 6 einmünden, die jeweils durch ein Einlaßventil 7 verschließ-bar sind und in der anderen Dachfläche 5.2 ein oder auch zwei parallele Auslaßkanäle 8 ausmünden, die jeweils durch ein Auslaßventil 9 verschließbar sind. Im "Traufenbereich" 10 der beiden Dachflächen 5.1 und 5.2 geht bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die zylinderkopfseitige Begrenzung in eine ebene Randfläche 11 über, die sich parallel zur Firstlinie 12 der Begrenzungsfläche 5 erstreckt. Es ist aber auch eine Ausführungsform möglich, bei der sowohl am Brennraumdach als auch am Kolbenboden die Dachflächen bis zur Zylinderwandung abfallend ausgebildet sind.
Der Winkel zwischen Einlaßventil 7 und Auslaßventil 9 kann bis zu 40° betragen, wobei die Winkelhalbierende um bis zu 8° gegenüber der Zylinderachse 17 geneigt sein kann.
Der in 1 dargestellte Schnitt ist versetzt geführt und zwar im Bereich des Zylinderkopfes 3 durch die Achse 6.1 eines Einlaßkanals 6 und dem zugeordneten Auslaßkanal 8. Im Bereich des Brennraums 2 bis einschließlich durch den Kolben ist der Schnitt in einer Ebene entlang der Zylinderachse 17 geführt .
Der Kolbenboden 13 des Kolbens 4 ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen entsprechend der Form der zylinderkopfseitigen Begrenzungsfläche 5 ausgebildet, mit der Besonderheit, daß – wie aus 3 ersichtlich – in die Dachfläche des Kolbenbodens 13 eine topfförmige Mulde 14 eingearbeitet ist. Jeweils im "Traufenbereich" 10 der Dachkontur ist der Kolbenboden 13 mit der zylinderkopfseitigen Begrenzung entsprechenden horizontalen Flächen 16 versehen. Im Bereich der Zylinderachse 17 ist im Zylinderkopf 3 eine hier nur durch ihre Achse 18 angedeutete Einspritzeinrichtung angeordnet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Einspritzachse 18 um ein geringes Maß in Richtung auf die Auslaßkanäle 8 versetzt angeordnet, sie kann aber auch mit der Zylinderachse 17 zusammenfallen. Sie kann je nach Gestaltung und Ausrichtung der Düsen um bis zu 30° gegenüber der Zylinderachse 17 geneigt angeordnet sein.
In 1 ist der Kolben 4 in seiner Abwärtsbewegung bei geöffneten Einlaßventilen 7 dargestellt. Aufgrund der Brennraumkonfiguration und der im wesentlichen unter einem Winkel a in den Brennraum 2 einmündenden parallelen Einlaßkanäle 6 bildet sich im Brennraum 2 eine durch die beiden Doppelpfeile 19 angedeutete Tumbleströmung aus, die auch in der Kompressionsphase, d. h. bei geschlossenen Einlaßventilen 7 und bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 weitgehend aufrechterhalten bleibt. In diese, um eine zur Zylinderachse 17 senkrecht verlaufende Querachse drehende Tumbleströmung wird nun kurz vor dem Ende des Kompressionshubes der Kraftstoff direkt in den Brennraum 2 eingespritzt. Da die Einspritzdüse mindestens fünf Düsenöffnungen aufweist, wird die erforderliche Kraftstoffmenge fein verteilt in diese Tumbleströmung eingebracht, so daß die Kraftstoffmenge einen langen Weg ohne Kontakt mit der Zylinderwandung zurücklegen und hierbei eine homogene Gemischbildung im Brennraum bewirkt werden kann.
Die Tumbleströmung, die maßgeblich durch die Geometrie der Einlaßkanäle erzeugt wird, wird im wesentlichen durch die Geometrie des Brennsraums 2, insbesondere die Gestaltung der Dachflächenbereiche der zylinderkopfseitigen Begrenzung und der zugeordneten Gestaltung des Kolbenbodens 13 während des Verdichtungsvorgangs stabilisiert, wobei die Mulde 14 im Kolbenboden 13 neben seiner ebenfalls stabilisierenden Wirkung auf den Tumble die gewünschten weiten Weglängen für die eingespritzten Kraftstoffmengen gewährleistet. Hierbei ist für die Abmessungen ein Verhältnis von Muldendurchmesser zu Kolbendurchmesser von 0,5 bis 1,0 zweckmäßig.
In Abwandlung kann der Kolbenboden dachförmig und ohne Mulde sowie mit beliebiger Abflachung im Firstbereich ausgeführt sein. Auch ein gänzlich flache Kolbenboden, wie in 6 dargestellt, ist denkbar.
Die vorstehend erwähnte Asymmetrie der Brennraumgestaltung ist aus der in 2 und 3 im Schnitt und in der Aufsicht dargestellten Gestaltung des Kolbenboden erkennbar. Durch die Zuordnung der Bezugszeichen der einzelnen zu 1 bereits erläuterten Merkmale kann auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden.
Wie aus 2 und 3 erkennbar, ist die topfförmige Mulde 14 im Kolbenboden 13 im wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildet und weist einen ebenflächigen Boden 20 auf.
Der Neigungswinkel b der dachförmigen Begrenzung sowohl auf der Zylinderkopfseite als auch auf seiten des Kolbenbodens weist gemessen gegenüber der Horizontalen einen Winkel zwischen 13 und 18, zweckmäßig von etwa 15 ° auf. Die Einlaßkanäle 6 sind mit ihrer Mittelachse 6.1 in ihrem Bereich unmittelbar vor dem gekrümmten Übergang zu der durch das Einlaßventil 7 verschließbaren Einlaßöffnung 7.1 um einen Winkel a zwischen 15 und 45, zweckmäßig von etwa 30° gegenüber der Horizontalen geneigt.
Zum besseren Verständnis der Strömungsvorgänge ist in 4 eine ausgebildete Drallströmung am Ende einer Ansaugphase dargestellt. Die zugehörigen Geschwindigkeitskomponenten CU und CA sind durch Pfeile entsprechend gekennzeichnet.
5 zeigt für die gleiche Kolbenstellung eine ausgebildete Tumbleströmung. Auch hier sind die Geschwindigkeitskomponenten CT und CA entsprechend durch Pfeile gekennzeichnet. 5 läßt erkennen, daß die Anordnung der Mulde 14 auf dem Kolbenboden 13 bei der anschließenden Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 in der Kompressionsphase maßgeblich zur Aufrechterhaltung der Tumbleströmung beiträgt, so daß in der Einspritzphase am Ende des Kompressionshubes immer noch eine ausreichende Strömungskomponente CT vorhanden ist, um so für eine vollständige Gemischbildung zu sorgen.
6 zeigt von links nach rechts in Einzelschritten, wie in der Ansaugphase bei sich abwärts bewegendem Kolben die zunächst axial einströmende Luft im weiteren Verlauf der Ansaugphase bis zum Ende der Ansaugphase sich in eine Tumbleströmung einstellt, was maßgeblich durch die geometrische Zuordnung der Einlaßkanäle 6 zum Zylinderraum und auch durch die Anordnung eines entsprechenden Brennraumdaches 5 unterstützt wird.
In 7 ist die in den Brennraum 2 hineinragende Düse 21 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung schematisch dargestellt. Wie die Zeichnung erkennen läßt, weist die Düse 21 eine Vielzahl von Düsenöffnungen 22 auf, mindestens fünf. Die Düsenöffnungen sind gegenüber der Einspritzachse 18 so ausgerichtet, daß die austretenden feinen Kraftstoffstrahlen unter einem Winkel c von etwa 45 bis 80° in den Brennraum 2 austreten.
Die vorstehend dargestellte und beschriebene Brennraumgestaltung ist an sich von Otto-Motoren bekannt. Es hat sich überraschend herausgestellt, daß eine derartige Brennraumgestaltung auch für ein Dieselbrennverfahren mit Direkteinspritzung die Forderung nach hohen Mitteldrücken bei sehr günstigem Kraftstoffverbrauch und niedrigen Emissionen zu erfüllen vermag. Hieraus ergeben sich auch herstellungstechnische Vorteile, da es nunmehr möglich wird, für Otto-Motoren und für Dieselmotoren gleicher Baugröße Zylinderköpfe auf den gleichen Fertigungsstraßen herstellen zu können.
Die Einspritzeinrichtung kann mit Düsen unterschiedlicher Gestaltung und Anordnung der Düsenöffnung versehen sein. Neben einer sogenannten Drosselzapfendüse mit nur einer Düsenöffnung sind auch Düsen mit mindestens drei Düsenöffnungen einsetzbar. Der Winkel c der einzelnen Düsenöffnungen 22 gegenüber der einzelnen Achsen 18 der Einspritzeinrichtung sowie der Winkel d bzw. der Abstand der einzelnen Düsenöffnungen 22 in Umfangsrichtung können jeweils verschieden sein, wie dies in den 6 und 9 schematisch für eine Düse mit sechs Düsenöffnungen 22.1 bis 22.6 dargestellt ist.

Claims

Dieselmotor, dessen einzelne Zylinder (1) einen durch Kolbenboden (13) und Zylinderkopf (3) begrenzten Brennraum (2) aufweisen und jeweils mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung versehen sind, deren Einspritzdüse (21) von oben durch den Zylinderkopf (3) in den Brennraum (2) ausmündet und die mit mehreren Düsenöffnungen versehen ist, ferner mit wenigstens einem Auslaßventil (9) und wenigstens einem Einlaßventil (7) je Zylinder, denen im Zylinderkopf (3) jeweils entsprechend verlaufende Kanäle (6, 8) zugeordnet sind, die geneigt in den Brennraum (2) einmünden, wobei die zylinderkopfseitige Begrenzung (5) des Brennraums (2) einerseits zumindest in ihrem wesentlichen Bereich und der den Brennraum (2) begrenzende Kolbenboden (13) entsprechend der zylinderkopfseitigen Begrenzung (5) des Brennraums (2) andererseits dachförmig ausgebildet ist, so daß der durch den Zylinderkopf (3) einerseits und den Kolbenboden (13) andererseits begrenzte Brennraum (2) des Zylinders (1) so gestaltet ist, daß die Ladungsbewegung im Brennraum (2) einen Drall um die Zylinderachse mit dem Wert CU/CA ≤ 0,5 und einen Tumble um die Querachse mit einem Wert von CT/CA ≥ 0,5 aufweist.
Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderkopfseitige Begrenzung des Brennraums (2) zumindest teilweise eben ausgebildet ist.
Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Brennraum in einer Dachfläche (5.1) wenigstens ein Einlaßkanal (6) einmündet und in der anderen Dachfläche (5.2) wenigstens ein Auslaßkanal (8) einmündet.
Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (13) eine Mulde aufweist.
Dieselmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (14) eine topfförmige Mulde hat.
Dieselmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (14) eine im wesentlichen kreiszylindrische Form aufweist.
Dieselmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (14) einen ebenflächigen Boden (20) aufweist.
Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Achse der Mulde (14) mit der Vertikalachse (18) der Einspritzeinrichtung zusammenfällt.
Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikalachse (18) der Einspritzeinrichtung gegenüber der Zylinderachse (17) mit Abstand in Richtung auf eines der Gaswechselventile versetzt angeordnet ist.
Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Einspritzöffnungen (22) der Einspritzdüse (21) unter einem Winkel c zwischen 45° und 80° zur Vertikalachse (18) ausgerichtet sind.