SE448759B - Sett att inspruta brensle vid direktinsprutande forbrenningsmotorer med tenddon eller kompressionstendning - Google Patents

Description

UN PJ UI 44-8 759 de. Denna bränsleinsprutníng gäller för övrigt även beträf- fande kallstart och för varmkörning av en kall motor.

För att hänsyn åtminstone tillnärmelsevis skall va- ra tagen till dessa kända förhållanden, har användning av insprutarmunstycke med föränderlig geometri hos munstycks- öppningen föreslagits, exempelvis ett munstycke med stryp- tapp. varierande och kontrollerat förekommit inom några driftområ- Detta har medfört vissa fördelar, men dessa har blott den för motorn, varför det inte kunnat vara tal om en ända- 5 målsenlig lösning. Oftast har fördelar visat sig föreligga blott i de övre och undre lastområdena. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att uppnå en bränsleinsprutning vid motorer av ifrågavarande art som är så anpassad till de olika drifttillstånden hos motorn, att avgaserna med avseende på innehåll av kolväten och blårök alltefter föreliggande prioriterade användningsändamål i al» la driftfaser når nära nog optimala värden, samtidigt som kallstart och varmkörning av kall motor underlättas.

Enligt uppfinningen uppnås detta ändamål därigenom, att sättet enligt uppfinningen har kännetecken som framgår av bifogade patentkrav.

Därvid medför bredare områden i undre varvtalsområdet en förskjutning i riktning mot högre varvtal och motorbelast- ningar av den huvudsakligen luftfördelade utformningen av blandningsberedningen. Den vid varje tillfälle maximala lyftningen av munstycksnålen i de enskilda områdena måste i motsvarighet därtill befinna sig i de undre områdena, där ett starkt förminskat tvärsnitt hos utloppsöppningen medför högt tryck Lrnmför munstyuksöppnlngen och därmed hög utgângs~ hastighet hos bränslet. Den stora relativhastigheten mellan bränslestrålen och den vid låga varvtal i förbränningsrummet förhållandevis långsamt roterande luften underlättar sönder- delningen av bränslestrâlen, som blandar sig med luften, _ förângas och förbränns innan den när förbränningsrummets E vägg. Under dessa förhållanden underlättas fullständig för- å. bränning med minimal bildning av oförbrända kolväten och blårök.

I praktiskt utförande används sålunda ett stryptapp~ munstycke, vars föränderliga hydrauliska egenskaper är på ..n..........__-'-.--__..__ ._._....... . _., .. H , i..._..-...__....-.-_..............,_.....~.. _ . f» U- 448 759 sådant sätt anpassade till motorn, att de fyller alla upp- ställda krav i samtliga drifttillstånd.

Företrädesvis är den maximala storleken hos munstyc- kets utströmningstvärsnitt i det undre belastnings- och' varvtalsområdet mellan 3 och 15% av det maximala utlopps- tvärsnittet, varvid det är viktigt att tvärsnittet inom det nämnda omrâdet blott friges i sådan grad, att ett tillräck- ligt högt insprutningstryck föreligger vid munstycksöppning- en för alstring av en väl förstoftad bränslestråle. Med stigande varvtal och/eller belastning ökas så småningom ut- loppstvärsnittet medelst munstycksnålen på sådant sätt att insprutningstrycket vid munstycksöppningen stiger allt mind- re och en väl sammanhållen bränslestråle bildas.

Företrädesvis är också insprutningstrycket vid mun- stycksöppningen i nominelleffektpunkten blott 2-3 gånger högre än i undre tomgångsområdet.

Som riktpunkt vid genomförandet av sättet kan gälla att insprutningsströmstyrkan, varmed avses insprutningsmängd per OKW i tomgångsområdet är l 1 0,5 mm3 gem çæ@.wamxehünkel och liter slagvolym och vid fullast och nominellt varvtal 2 :_1 nn; per grad.vevaxelvinkel och liter slagvolym. Vidare är det lämpligt att även tidpunkten för bränsleinsprutningen samtidigt regleras i beroende av varvtal och.belastnimg.

Förställningen av insprutningens början från full- lastområdet till nollast utgör företrädesvis vid nominellt varvtal hos motorn mellan 20 och 50% av den maximala varv- talsberoende förställningen av insprutningens början och förblir över hela varvtalsområdet ned till tomgång nära nog lika stor. Slutligen är det av fördel att den lastberoende förställningen av insprutningens början vid konstant varvtal börjar från 100% till 50% av fullastinsprutningsmängden, att 100% av förställningen av insprutningens början ligger vid en insprutningsmängd från 50% till 0% av fullastinsprutnings- mängden och att den lastberoende förställningen av insprut- ningens början från 100% till 0% har rätlinjigt förlopp el- ler följer en kurvlinje.

Uppfinningen framgår närmare av följande beskrivning av nâgra diagram och en som exempel visad insprutare. Fig. l visar en motorkarakteristikskara med uppdelning enligt 448 759 uppfinningen, fig. 2 ett diagram över förhållandet mellan munstycksnållyft och utloppstvärsnitt hos insprutarmun- stycket, fig. 3 undre delen av en för utförandet av sät- tet enligt uppfinningen lämpad insprutare, fig. 4-8 olika karakteristiker, enligt vilka lyftningen av munstycksnålen kan ske, fig. 9 förloppet hos insprutningstrycket och nål- lyftet i de olika områdena, fig. l0 förställningen av in- sprutningens början i beroende av varvtal och fig. ll för- ställningen av insprutningens början i beroende av belast- a ning.

I diagrammet i fig. l är bränsleinsprutningsmängden o\° q i av fullastmängden avsatt på ordinatan l och varvtalet n i Med en strec- dä! av nominella varvtalet på abskissan 2. kad linje 3 anges den insprutningsmängd som erfordras för att motorn skall kunna gå i tomgång och punkten 4 visar det vanligen inställda tomgångsvarvtalet. Under linjen 3 lig- ger det nedsläppningsområde, inom vilket motorn inte längre kan gå av sig själv. Vidare visas i det understa varvtals- omrâdet att motorn för start behöver omkring 50% mer bräns- le än vid fullast. Motorkarakteristikfältet indelas schema- tiskt av linjer 5, 6 och 7 i fyra områden I, II, III, IV, inom vilka insprutarmunstycket skall ge inbördes olika bräns- lestrålkarakteristiker. Indelningen sker därvid så att mo- torn kan köras med ett av sina vanligare respektive av lager- na för homologation givna drifttillstând anpassad blandninge- bildning. Det här tillämpade områdesvalet visar att den mo- tor som här skall optimeras i huvudsak är avsedd för fordon, som till övervägande del ligger i stadstrafik. Om motorn exempelvis vore avsedd att köras mycket inom fullastområdet, skulle linjerna 5, 6 och 7 förskjutas åt vänster. I varje fall väljs områdena I-IV i beroende av varvtalsområdet för ifrågavarande motor och de olika krav som ställs på avgas- emission och effekt. Det visade schemat förblir kvalitativt detsamma om man exempelvis ställer högre krav med avseende på oförbrända bränslerester och blårök, varvid lämpligen områdena I och II väljs bredare och områdena III och IV sma- If» lare.

I diagrammet i fig. 2 är munstycksnållyftet H i % f: avsatt på abskissan 45 och utströmningstvärsnittet F.p i % [Il l5 448 759 av värdet vid maximalt lyft avsatt på ordinatan 46. F är därvid geometriska tvärsnittet och u utströmningstalet hos munstycksöppningen. Även här är områdena I-IV visade och karakteristiken 8 visar att utströmningstvärsnittet F.p i områdena I och II vid nâllyft upp till omkring 30% har ett värde mellan 3 och 15% av det maximala lyftet. Karakteri- stiken 8 visar blott som exempel en kraftigt svängd form, men den skulle alltefter de önskade förhållandena eventuellt till och med vara en rak linje. Om den av munstycksslaget och parametrarna hos munstyckskanalen l5 beroende karakte- ristiken har en annan form, får de områdena I, II och III begränsande linjerna i fig. 2 ett annat läge för att de maxi- malt uppnåeliga nållyften inom de motsvarande områdena för motorkarakteristikfältet i fig. l skall ge samma valda ut-, loppstvärsnitt.

Fig. 3 visar undre delen av ett i och för sig känt munstycke med tapp, med vilket det beskrivna insprutnings- sättet är gonomförbart. I en munstyckskropp 9 är en mun- stycksnål ll förskjutbart lagrad, vilken i det visade stäng- ningsläget anligger med sitt tätningssäte l2 mot munstycke- kroppen 9. Under tätningssätet 12 har nålen ll en stryptapp l3, som med viss övertäckning l4 skjuter på sådant sätt in i munstyckskanalen l5, att det kvarstår en strypspalt l6. Den med streckade linjer visade tappen 13' återger tappen vid fullt lyft munstycksnål ll.

Motsvarande de i fig. l och 2 angivna områdena I-IV lyfter sig stryptappen l3 blott litet. Inom området I lig- ger den fortfarande kvar i kanalen 15 och dess lyft motsva- rar ungefär 50% av övertäckningen. Vid strypspalten l6 fö- religger ännu ett högt tryck och därmed kommer den ringfor- I området II har den undre cylindriska änden av stryptappen l3 redan kom- made bränslestrålen att bli väl förstoftad. mit till slutet av övertäckningen 14, varvid dock bränsle- Området III är ett område, inom vilket stryptappen l3 går vidare till maximalt strålen fortfarande blir väl förstoftad. öppet läge l3'. Det till förfogande stående fria utlopps- tvärsnittet blir därvid allt större och därmed bränslestrâ- len alltmera samlad. Inom området IV är stryptappen 13 helt lyft under största delen av insprutningstiden. l0 448 759 Bränslestrålen förblir kompakt och kommer till övervägande del fram till förbränningsrummets vägg. Det maximala öpp- ningstvärsnittet hos insprutarmunstycket bestäms av den in- sprutningstid och det insprutningstryck som önskas vid maxi- mal belastning. Det må i detta sammanhang erinras om att förstoftningsgraden i bränslestrålen inte är blott beroen- de av den absoluta utgångshastigheten från munstyckskana- len 15, utan också av relativhastigheten mellan bränslestrâ- len och den i det rotationssymmetriska förbränningsrummet rotande luften .

Den önskade anpassningen av egenskaperna hos munstyc- kets öppningstvärsnitt till förekommande drifttillstând hos motorn, dvs. läget hos stryptappen 13, kan åstadkommas med den fjäder, som håller munstycksnålen ll i stängt läge. I många fall är redan en konstant styvhet hos fjädern tillräck- lig. En stegvis eller kontinuerligt ökande styvhet med ökan- de nållyft är nödvändig om en noggrannare inställning av nål- läget skulle vara nödvändig vid små nållyft eller om den snabba rörelsen hos munstycksnålen efter det att ventilen öppnat vid låga motorvarvtal och -belastningar måste brom- sas. Detsamma uppnås också med en kombination av en meka- nisk fjäder och ett hydrauliskt, fjädrande element, som ut- övar en mot ledningstrycket proportionell tilläggskraft på munstycksnålen. I alla dessa fall är rörelsen hos munstycke- nâlen förbunden med en ändring av bränsleinsprutningstrycket.

Tvärsnittsändringen hos munstyckskanalen verkar i motsatt riktning och möjliggör en insprutning av från den minsta till den största mängden bränsle vid förhållandevis ringa 7 tryckändring vid munstyckskanalen 15, jämfört med vad som är fallet vid hittills vanlig insprutning med oföränderlig geometri hos munstycksöppningen. En ytterligare möjlighet att inställa önskat nållyft i beroende av motorns frifttill- stånd ligger i användning av ett fjärrstyrt ställorgan. I detta fall kan insprutningen ske vid samma tryck inom hela motorkarakteristikområdet. Trycket kan till och med stäl- las högre vid lägre varvtal och motorbelastningar än vid höga varvtal och belastningar, vilket i många fall kan vara av fördel.

I fig. 4-8 visas som exempel fem möjliga karakteri- F! Kit l0 448 759 stiker 17, 18, 19, 21, 22 hos på munstycksnålen verkande fjäderelement, som möjliggör en styrning av munstycksnålen i enlighet med motorkarakteristikfältet enligt fig. l. På ordinatan 23 är den kraft F avsatt, som fjäderelementet ut- övar på munstycksnålen, varvid don vid stängningsläge på nå- len utövade kraften är betecknad F dvs. vid nållyftet O.

I Abskissan 47 visar nållyftet H. 0 De i fig. 4 och 5 visade karakteristikerna 17 och 18 åstadkoms av två seriekopplade fjädrar, varvid den andra fjädern kommer till verkan först efter ett visst nållyft, som exempelvis motsvarar 50% av övertäckningen 14, fig. 3, i munstyckskanalen 15. Den kommer sålunda till verkan först vid slutet av området I. De streckprickade linjerna 24 vi- sar den första fjäderns kraft F. Det olika förloppet hos karakteristikerna 17 och 18 visar att den andra fjädern en- ligt fig. 4 är anordnad utan och enligt fig. 5 med förspän- ning.

I fig. 6 förlöper karakteristiken l9 hos en stål- fjäder progressivt upp till maximala nållyftet Hmax.

Fig. 7 och 8 visar karakteristiker 21 och 22, som erhålls av en på munstycksnålen verkande fjäder och ett yt- terligare, hydrauliskt, fjädrande element, som på nålen ut- övar en mot bränsleinsprutningstrycket proportionell kraft.

I detta fall får diagrammet för kraften F ett förlopp som liknar förloppet hos insprutningstrycket under nâlöppnan- det, vilket också är beroende av varvtalet och av insprut- ningsmängden. Som framgår av fig. 8 följer kraften F under nålens öppnings- och stängningsrörelser ett annat förlopp.

Analogt med vad som är fallet när tvâ fjädrar är anordnade, ingriper här det hydrauliska elementet först när munstycks- nålen lyfts ett stycke motsvarande exempelvis 50% av över- täckningen 14, fig. 3. Denna punkt, som i fig. 4-8 hela ti- den valts lika, kan naturligtvis förläggas tidigare eller senare, sålunda till nära nog vid slutet av övertäckningen 14 motsvarande slutet av området II. från fall till fall.

I fig. 9 visas insprutningstrycket och nâllyftet H Lämplig punkt bestäms för områdena I-IV (fig. l). På ordinatan 25 i diagrammen är nâllyftet H i % avsatt till vänster och förhållandet “in- LH 448 759 sprutningstryck/munstycksöppningstryck" p i %. Abskissan 26 anger kolvrörelsen s i närheten av övre dödpunkten OT i grader vevvinkel. Kurvorna 27 visar förloppet hos in- sprutningstrycket och kurvorna 28 nållyftct.

II motsvarar nållyftet 28 åter omkring 50% av övertäckning- en 14 och insprutningstrycket är förhållandevis högt. Inom området II har nålen redan lyft till slutet av övertäckning- en 14 och inom omrâdet IV har nålen öppnat helt. Här ökar insprutningstrycket 27 avsevärt mindre. I allmänhet när insprutningstrycket värden, som blott är 2-3 gånger så höga som munstycksnålens öppningstryck, värdena på munstyckets utloppstvärsnitt u.E skiljer sig i tomgång och fullast från varandra med omkring en tiopotens (fig. 2). Insprutnings- per grad vevaxelvinkel och liter slag- Inom området strömstyrkan utgör 110,5 mm3 volym i tomgång och 2 ¿_1 nn? per grad vevaxelvinkel och liter slagvolym vid fullast och nominellt varvtal.

Ett insprutningsmunstycke ned oföränderlig geometri hos munstycke- kanalens öppning, som vore beräknad för tomgång, skulle vid fullast och höga varvtal kräva ett insprutningstryck, so skulle vara ungefär det tio- faldiga öppningstrycket för att insprutningstiden fortfarande skulle kunna vara tilhükkligt kort. Ändringen av egenskaperna hos bränslestrålen och dess upplösning i förbränningsluften i beroende inte blott av motorvarvtalet, utan även av belastningen, leder till att även tändförloppet, blandningsberedningen och förbrän- ningshastigheten ändras i motsvarande grad. Det är därför möjligt och fördelaktigt att förställa insprutningstid- punkten inte blott i beroende av varvtalet, utan även i beroende av belastningen, för att därmed åstadkomma en vär- meutveckling med optimal verkningsgrad. Därigenom sänks också ljudnivån inom dellastomrâdet, vid låg last och i tom- gång, dels på grund av att bränsleströmstyrkan vid början av insprutningen är mycket liten, varför den självtändande bränsleandelen blir mycket ringa, och dels på grund av den bättre upplösning av bränslet i förbränningsluften, som snabbar upp blandningsbildningen och medger att insprut- ningen börjar senare. Härigenom sänks det maximala förbrän- ningstrycket utan att ogynnsamt inverka på den specifika bränsleförbrukningen, samtidigt som avgaserna förbättras 448 759 9 med avseende på kväveoxidkoncentrationen med upp till 50%.

Den senarelagda början av insprutningen inom låg- lastområdet medför dessutom den fördelen, att inga bränsle- partiklar träffar kolvtoppen och därigenom undandras för- bränning. I detta hänseende samverkar senareläggningen av insprutningens början i samma riktning som redan tidi- gare föreslagen placering av munstyckskanalen.

Den lastberoende förställningen av insprutningens början utgör 20-50% av den vanliga, varvtalsberoende för- ställningen vid fullast.

I fig. 10 återges ett diagram, som visar förställ- ningen av insprutningens början i beroende av varvtalet.

På ordinatan 29 är förställningen S i % av den maxi- malt möjliga förställningen angiven och på abskissan 31 varv- talet n i % av nominella varvtalet. En rät linje 32 visar den förställning, som är nödvändig på fullastkurvan, linjer- na 33 och 34 begränsar det område, inom vilket kurvan för insprutningens början vid en insprutningsmängd "noll" lig- ger. Med avtagande last rör sig början för insprutningen i den med en pil 35 antydda riktningen.

I fig. ll visas den lagbundenhet, med vilken denna ändring av insprutningens början försiggår. På ordinatan 36 är förställningsvinkeln i % av den vid konstant varv- tal lastberoende, maximala förställningen av insprutningens början återgiven, dvs. afullast _ u løo ' afullast _ ao är vinkeln vid början av insprutningen vid full- last och do är vinkeln vid insprutningsmängden ge = 0. där “fullast På abskissan 37 är insprutningsmängderna qe i % av insprutningsmängden qe fullast. Vägen mellan förställningen no u (qe är, som antytt med linjen 38, i allmänhet ungefär linjär. fullast) och 100% insprutningsförställning (qe = O) I många fall är det emellertid lämpligt att till att börja med vid höga insprutningsmängder inte alls eller i blott ringa grad åstadkomma en förställning, utan att låta början av insprutningen vara kvar vid dfullast och först vid mind- 448 7591 re insprutningsmängder företa en förställning, som visat med kurvan 39. Förställningsvägen kan redan vid qe > 0 va- ra avslutad till 50% av qfullast och exempelvis följa linjen 41. De möjliga vägarna innesluts sålunda mellan en linje 42 och en linje 43. Den sistnämnda anger det gränsfall, vid vilket början av insprutningen hålls konstant ända tills in- sprutningsmängden nått 50% av fullastmängden. Linjen 42 däremot visar det gränsfall, vid vilket den lastberoende förställningen börjar omedelbart och avslutats redan vid 50 gen visar ett möjligt förlopp mellan gränslinjerna 38 och 43. o\° av insprutningsmängden vid fullast. Kurvan 44 slutli-

Claims (10)

44-8 759 11 PAIENIERÄI

1. l. ' Sätt att inspruta bränsle vid direktinsprutande förbränningsmotorer med tänddon eller kompressionständning, vilka väsentligen arbetar med bränsleanlagring vid motorns förbränningsrum och vid vilka en luftrotation alstras i för- bränningsrummet, varvid bränslet insprutas i ett rotations- kroppformat förbränningsrum medelst ett insprutarmunstycke, som har föränderlig geometri hos munstycksöppningen, k ä n n e t e c k n a t därav, att motorkarakteristikområ- det schematiskt uppdelas i ett antal områden, exempelvis i fyra områden (I, II, III, IV), vilka sträcker sig från tom- gångsområde (3) till fullastområde (q = l0O%), eventuellt vid olika varvtal (n), och i vilka insprutarmunstyckets mun- stycksnål (ll) friger ett för utförandet av förfarandet av- sett maximalt utströmningstvärsnitt (lö) under hänsynstagan- de till insprutningsmängd per tidenhet och belastning (fig. l, 2 och 3), och att öppnandet av insprutarmunstyckets ut- strömningstvärsnitt (16) åstadkoms på sådant sätt medelst en motsvarande anordning av i och för sig kända medel, så- som fjädrar med motsvarande erforderlig karakteristik (17, 18, l9, 2l, 22) eller medelst ytterligare styrmedel, att ut- strömningstvärsnittets ökning är anpassad till de enskilda områdena (I, II, III, IV) inom karakteristikområdet, varvid en väsentligt långsammare tvärsnittsökning åstadkoms i det undre varvtals- och/eller belastningsområdet och en snabba- re skeende tvärsnittsökning i det övre varvtals- och/eller belastningsområdet (fig. 2).

2. Sätt enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t därav, att indelningen av områdena (I, II, III, IV) utförs allt- efter motorns användningsändamål och att områdena (I, II, III, IV) väljs bredare inom det område, i vilket motorn är avsedd att till övervägande del arbeta.

3. I, Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att den under ett insprutningsförlopp uppnådda maximala storleken hos insprutarmunstyckets ut- strömningstvärsnitt (16) i undre belastnings- och varvtals- området är mellan 3 och 15% av det för maximal effekt geo- metriskt begränsade utströmningstvärsnittet och att stor- lekarna hos munstyckets utströmningstvärsnitt (l6) mellan 448 759 ii tomgång och fullast skiljer sig från varandra med omkring en tiopotens.

4. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att utströmningstvärsnittet (16) i de undre varvtals- och/eller belastningsområdena av mun- stycksnâlen (ll, 13) öppnas blott så mycket, att ett till- räckligt högt insprutningstryck föreligger vid munstycks- öppningen (15) för att alstra en så hög utgångshastighet hos bränslet att det förstoftas vid insprutningen.

5. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att det maximalt frigivna utström- ningstvärsnittet med stigande varvtal och/eller belastning successivt förstoras på sådant sätt att det vid munstycks- öppningen (l5) föreliggande insprutartrycket stiger så li- tet som möjligt och i avsevärt mindre grad än ökningen av varvtal och/eller belastning, så att på grund av lägre re- lativhastighet mellan bränslestrålen och luftrotationen i förbränningsrummet en mindre upplöst bränslestråle bildas.

6. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att insprutartrycket vid munstycks- öppningen (15) i nominaleffektpunkten ligger blott 2-3 gånger högre än vid låg tomgång. '

7. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att insprutningsraten (insprutnings- mänqd per OKW) i tomgångsområdet är 1 i 0,5 mm3gæm gradwæw- axelvinkel och liter slagvolym och vid fullast och ncnfinellt varvtal 2 i^1nuê per grad vevaxebfirkel och liter skflwolym.

8. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att tidpunkten för bränsleinsprutning- en regleras varvtalsberoende och lastberoende (figw 10 och ll).

9. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att förställningen av insprutningens början från fullastomrâdet till nollbelastning vid nomi- nellt varvtal hos motorn är mellan 20 och 50% av den maxi- mala varvtalsberoende förställningen av insprutningens bör- jan och förblir nära nog lika stor över hela varvtalsomrâ- det ned till tomgång. 448 759 lå

10. Sätt enligt något av föregående krav, k ä n n e - t e c k n a t därav, att den lastberoende förställningen av insprutningens början vid konstant varvtal börjar från 100 till 50% av insprutningsmängden vid fullast, att 100% av förställningen av insprutningens början ligger vid en insprutningsmängd av 50 till 0% av fullastinsprutningsmäng- den och att den lastberoende förställningen av insprutning- ens början från 100 till 0% förlöper utmed en rät linje el- ler en kurva (41, 44)(fig. ll).