DE19705090A1 - Internal combustion engine with direct injection of fuel - Google Patents
Internal combustion engine with direct injection of fuelInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Verbren nungszylinder, in dem ein Kolben mittels eines Kurbeltriebwerks hin- und herläuft und in den der Brennstoff gegen Ende des Verdichtungstakts auf der Peripherie einer ringförmigen Brennkammer, in der ein axial rotierender Drall der Frischladung erzeugt ist, direkt eingespritzt wird, wobei durch die Peripheriewand der Brennkammer ein geringstmöglicher Kontakt der Frischladung mit dem eingespritzten flüssigen Brennstoff, während dieser zur Vergasung erhitzt wird, gewährleistet ist, so daß erst der vergaste Brennstoff zur Verbrennung mit der Frischladung vermischt wird und die Flammenfront sich nur entlang der ringförmigen Brennkammer ausbreiten kann. Die Erfindung stellt eine Weiterentwicklung der Hauptanmeldung 196 32 407.6 dar.The invention relates to an internal combustion engine with at least one combustion tion cylinder in which a piston reciprocates by means of a crank engine runs and into which the fuel towards the end of the compression stroke on the Periphery of an annular combustion chamber in which an axially rotating Twist of the fresh charge is generated, is injected directly, through which Peripheral wall of the combustion chamber the least possible contact of the fresh charge with the injected liquid fuel while gasifying it is heated, is guaranteed so that only the gasified fuel Combustion is mixed with the fresh charge and the flame front itself can only spread along the annular combustion chamber. The invention represents a further development of the main application 196 32 407.6.
Die Qualität einer Diesel-Brennkraftmaschine ist vor allem von ihrem Wirkungs grad, von den Abgasemissionen und von der Geräuschentwicklung abhängig, wobei diese Merkmale in engem Zusammenhang vor allem mit dem Verbrennungsverfahren stehen. Bei Dieselmotoren sind der Wirkungsgrad, die Bildung von Rußpartikeln und die Verbrennungsgeräusche vor allem von der Dauer des Mischvorgangs und von der guten molekularen Vermischung des Brennstoffs mit der Frischladung vor der Verbrennung abhängig. The quality of a diesel internal combustion engine is primarily due to its effectiveness degrees, depending on the exhaust emissions and the noise level, whereby these characteristics are closely related primarily to the combustion process stand. The efficiency of diesel engines is the formation of soot particles and the combustion noises mainly from the duration of the mixing process and from the good molecular mixing of the fuel with the fresh charge before Combustion dependent.
Bei den bekannten Diesel-Verbrennungsverfahren - Vorkammer-, Wirbelkammer-, Direkteinspritz- und M-Verfahren - wird der Brennstoff flüssig in die heiße Brennkammer eingespritzt, wobei sich in der Brennkammer, noch bevor sich der Brennstoff molekular vollständig mit der frischen Ladung vermischt hat, eine größere Menge Brennstoff angesammelt hat. In der heißen Brennkammer findet eine schnelle Zündung und Verbrennung statt, wobei nur jene Brennstoffmoleküle, die mit dem Sauerstoff der Frischluft in Kontakt kommen, verbrennen können. Bei der schnellen Verbrennung begegnet die Flammenfront auch größeren Brennstoff teilchen, die nur oberflächlich verbrennen und deren Inneres, wegen des man gelnden Sauerstoffs, nur bis zu Rußpartikeln verbrennt. Außerdem verbrennt der eingelaufene Brennstoff sprunghaft schnell bei hohen Drucksteigerungsraten, wodurch laute Dieselgeräusche entstehen.In the known diesel combustion processes - prechamber, vortex chamber, Direct injection and M processes - the fuel becomes liquid in the hot Combustion chamber injected, being in the combustion chamber even before the Molecularly completely mixed fuel with the fresh charge, one has accumulated a large amount of fuel. One finds in the hot combustion chamber rapid ignition and combustion take place, taking only those fuel molecules that come into contact with the oxygen in the fresh air, can burn. In the rapid combustion, the flame front also encounters larger fuel particles that only burn superficially and their interior because of the valid oxygen, only burns down to soot particles. It also burns incoming fuel jumps rapidly at high pressure increase rates, which creates loud diesel noises.
Derzeitige Versuche, diese Probleme mit sehr hohen Einspritzdrücken zu lösen, können nicht zu optimalen Ergebnissen führen, weil der Brennstoff "mechanisch"- durch hohen Einspritzdruck - nicht molekular zerstäubt werden kann. Außerdem verbreitet sich die Flammenfront in der wesentlich kompakteren Brennkammer in alle Richtungen sehr schnell, noch bevor sich der Brennstoff molekular voll ständig vermischt hat, wodurch Rußpartikel sowie hohe Drucksteigerungsraten entstehen.Current attempts to solve these problems with very high injection pressures cannot lead to optimal results because the fuel is "mechanical" - due to high injection pressure - cannot be atomized molecularly. Furthermore the flame front spreads in the much more compact combustion chamber in all directions very quickly, even before the fuel becomes molecularly full has constantly mixed, causing soot particles and high pressure increase rates arise.
Zugrundeliegende Idee der Erfindung ist, daß durch die Wand der Brennkammer ein geringstmöglicher Kontakt der Frischladung mit dem eingespritzten flüssigen Brennstoff, während dieser zur Vergasung erhitzt wird, gewährleistet wird, so daß erst der vergaste Brennstoff in einer ringförmigen Brennkammer mit einem axial rotierenden Drall der Frischladung schnell zur Verbrennung vermischt wird und die Flammenfront sich nur entlang der ringförmigen Brennkammer aus breiten kann, wobei eine schnelle, kontinuierliche Verbrennung stattfindet.Underlying idea of the invention is that through the wall of the combustion chamber least possible contact of the fresh load with the injected liquid Fuel while it is being heated for gasification is guaranteed that only the gasified fuel in an annular combustion chamber with a axially rotating swirl of the fresh charge quickly mixed for combustion and the flame front only extends along the annular combustion chamber can spread, with a rapid, continuous combustion takes place.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Verbrennungsablauf in der Brenn kammer einer Diesel-Brennkraftmaschine durch Weiterentwicklung der Hauptan meldung 196 32 407.6 zu verbessern, wodurch der Wirkungsgrad gesteigert und die Abgasemissionen, insbesondere die Partikelemissionen, sowie die Geräusch entwicklung reduziert werden. The invention has for its object the combustion process in the burning Chamber of a diesel internal combustion engine through further development of the main engine message 196 32 407.6 to improve, which increases the efficiency and the Exhaust emissions, especially particle emissions, as well as noise development can be reduced.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Mischvorgang des Brennstoffs mit der Frischladung vor der Zündung verbessert und beschleunigt wird, indem der Brenn stoff durch mindestens zwei Düsen eingespritzt wird. Weiterhin wird eine bes sere Zerstäubung des Brennstoffs in der Frischladung erreicht, wenn der Brenn stoff zunächst, bei noch geringerem Kontakt mit der Frischluft, zur Vergasung besser erhitzt wird, indem er von jeder Einspritzdüse direkt in enge, erhitzte Rohre eingespritzt wird oder bereits in der Einspritzdüse erhitzt wird. Außer dem kann der Mischvorgang weiter beschleunigt werden, indem die Brennkammer für die Drallbewegung der Frischladung optimiert und dadurch der Drall beschleunigt wird, indem der lange Ringkanal durch zwei kürzere, bogenförmigen Kanäle er setzt wird.This object is achieved in that the mixing process of the fuel with the Fresh charge before ignition is improved and accelerated by the fuel substance is injected through at least two nozzles. Furthermore, a bes atomization of the fuel in the fresh charge is achieved when the fuel First, with even less contact with the fresh air, material for gasification is heated better by directing it into tight, heated from each injector Pipes is injected or is already heated in the injection nozzle. Except the mixing process can be further accelerated by the combustion chamber for optimizes the swirl movement of the fresh load and thereby accelerates the swirl is by dividing the long ring channel by two shorter, arcuate channels is set.
In der vorliegenden Erfindung sind je nach Größe und Verwendungszweck der Dieselmotoren fünf Varianten einer erfindungsgemäßen Brennkammer vorgesehen. Dabei unterscheiden sich die erste vier Variante von einandere nur durch die Gestaltung der Peripheriewand der Brennkammer. Bei der fünfte Variante wird der einzuspritzenden Brennstoff bereits in der Einspritzdüse erwärmt, wobei diese Einspritzdüse auch bei der erste vier Variante verwendet werden kann.In the present invention, depending on the size and intended use Diesel engines provided five variants of a combustion chamber according to the invention. The first four variants differ from each other only in that Design of the peripheral wall of the combustion chamber. In the fifth variant, the Fuel to be injected is already heated in the injection nozzle, this Injector can also be used in the first four variants.
Die Erfindung in ihren Einzelheiten wird nachfolgend anhand von fünf Fig. näher erläutert. Dabei zeigen:The details of the invention are explained in more detail below with reference to five figures . Show:
Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkammer, wobei an der linken Seite eine erste und an der rechten Seite eine zweite Variante dargestellt ist; Fig. 1 is an axial section through an inventive combustion chamber, a first one on the left side and a second variant is shown on the right side;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Brennkammer gemäß Fig. 1; FIG. 2 shows a cross section through the combustion chamber according to FIG. 1;
Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Brennkammer, wobei an der linken Seite eine dritte und an der rechten Seite eine vierte Variante dargestellt ist; Fig. 3 is an axial section through an inventive combustion chamber, wherein a third and to the right of a fourth variant is shown on the left side;
Fig. 4 einen Querschnitt durch die Brennkammer gemäß Fig. 3; FIG. 4 shows a cross section through the combustion chamber according to FIG. 3;
Fig. 5 einen Axialschnitt durch eine Einspritzdüse und quer zur Zylinderachse der fünften Variante der Brennkammer. Fig. 5 shows an axial section through an injection nozzle and transverse to the cylinder axis of the fifth variant of the combustion chamber.
In Fig. 1 ist der Axialschnitt und in Fig. 2 der Querschnitt durch die jeweils erste und zweite Variante einer erfindungsgemäßen Brennkammer dargestellt. Im Zylinderkopf 2 sind, parallel zur Zylinderachse, die Ein- und Auslaßventile angeordnet. Im Zylinderkopf 2 ist eine zylindrische Hülse 3 aus wärmedammendem und katalytisch wirkendem Material eingepreßt, und durch eine ringförmige Aussparung im Kopf des Kolbens 5 ist eine ringförmige Brennkammer 12a im Ver brennungszylinder 12 ausgebildet. Am Kopf des Kolbens 5 sind außerdem spiral förmige Kanäle 11 angeordnet, so daß beim Verdichtungshub des Kolbens 5 und insbesondere am Ende des Verdichtungshubs durch die gequetsche Luft ein Drall in der ringförmigen Brennkammer 12a erzeugt wird.In Fig. 1, the axial section and is shown in Fig. The cross-section represented by the respective first and second variant of a combustion chamber 2 of the invention. In the cylinder head 2 , the intake and exhaust valves are arranged parallel to the cylinder axis. In the cylinder head 2 , a cylindrical sleeve 3 made of heat-insulating and catalytically active material is pressed, and an annular combustion chamber 12 a in the combustion cylinder 12 is formed by an annular recess in the head of the piston 5 . At the head of the piston 5 also spiral channels 11 are arranged so that a swirl is generated in the annular combustion chamber 12 a during the compression stroke of the piston 5 and in particular at the end of the compression stroke by the squeezed air.
Bei der ersten Variante, die jeweils auf der linken Seite der Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist in der zylindrischen Hülse 3 ein tiefer, enger Ringkanal 8 vorgesehen, der zumindest beim Anlassen der Maschine elektrisch beheizbar ist. Der Brennstoff wird durch zwei seitlich am Zylinderkopf angeordnete Einstrahl düsen 10 tangential am Boden des Ringkanals 8 eingespritzt, so daß der Brenn stoffstrahl nur auf der nach innen offenen Seite des Kanals in Kontakt mit der frischen Luft kommen kann. Der Brennstoffstrahl läuft wegen des relativ großen Durchmessers des Ringkanals 8 weit hinein. Dabei erhitzt sich der Brennstoff durch die heißen Wände des Ringkanals 8 noch vor der Zündung bis zur Vergasung. Nach der Zündung kann sich die Flammenfront nur entlang der ringförmigen Brenn kammer ausbreiten, so daß eine schnelle, kontinuierliche und vollständige Verbrennung des bereits verdampften Brennstoffs bei einer niedrigen Druckstei gerungsrate und damit bei niedrigen Brenngeräuschen stattfindet.In the first variant, which is shown in each case on the left-hand side of FIGS. 1 and 2, a deep, narrow annular channel 8 is provided in the cylindrical sleeve 3 , which can be heated electrically at least when the engine is started. The fuel is injected tangentially at the bottom of the ring channel 8 by two jet nozzles 10 arranged laterally on the cylinder head, so that the fuel jet can only come into contact with the fresh air on the inwardly open side of the channel. The fuel jet runs far into it because of the relatively large diameter of the ring channel 8 . The fuel heats up through the hot walls of the ring channel 8 before ignition until it is gasified. After ignition, the flame front can only spread along the annular combustion chamber, so that a rapid, continuous and complete combustion of the already vaporized fuel takes place at a low pressure increase rate and thus takes place with low combustion noise.
Bei größeren Zylindereinheiten wird der Ringkanal 8 sehr lang, so daß der Brennstoffstrahl sich nicht über seine gesamte Länge ausbreiten kann. Dabei leistet der lange, tiefe und enge Kanal 8 an der Peripherie der Brennkammer 12a einen größeren aerodynamischen Widerstand gegen den Drall der frischen Ladung. In diesem Fall kann die zweite Variante, die jeweils auf der rechten Seite der Fig. 1 und 2 dargestellt ist, angewendet werden. Dabei wird der Brennstoff von jeder Einspritzdüse jeweils in einen tiefen, engen, bogenförmigen Kanal am Außenrand der ringförmigen Brennkammer 12a eingespritzt. In the case of larger cylinder units, the ring channel 8 becomes very long so that the fuel jet cannot spread over its entire length. Here, the long, deep and narrow passage 8 does at the periphery of the combustion chamber 12 a greater aerodynamic resistance to the swirl of the fresh charge. In this case, the second variant, which is shown on the right side of FIGS. 1 and 2, can be used. The fuel is injected from each injector into a deep, narrow, arcuate channel on the outer edge of the annular combustion chamber 12 a.
In Fig. 3 ist der Axialschnitt und in Fig. 4 der Querschnitt durch die jeweils dritte und vierte Variante einer erfindungsgemäßen Brennkammer dargestellt. Im Zylinderkopf 2 sind die Ein- und Auslaßventile 21 V-förmig angeordnet. Im Zylinderkopf 2 ist eine zylindrische Hülse 3 aus wärmedämmendem und katalytisch wirkendem Material eingepreßt und durch eine ringförmige Aussparung im Kopf des Kolbens 5 ist eine ringförmige Brennkammer 12a im Inneren der zylindrischen Hülse 3 ausgebildet. Am Kopf des Kolbens 5 sind außerdem spiralförmige Kanäle 11 angeordnet, so daß beim Verdichtungshub des Kolbens 5, und insbesondere am Ende des Verdichtungshubs, die gequetsche Luft einen axial rotierenden Drall in der ringförmigen Brennkammer 12a erzeugt.In Fig. 3 the axial section and shown in Fig's. The cross-section represented by the respective third and fourth variant of a combustion chamber of novel 4. In the cylinder head 2 , the intake and exhaust valves 21 are arranged in a V-shape. In the cylinder head 2 , a cylindrical sleeve 3 made of heat-insulating and catalytically active material is pressed and an annular combustion chamber 12 a is formed in the interior of the cylindrical sleeve 3 by an annular recess in the head of the piston 5 . At the head of the piston 5 , spiral channels 11 are also arranged so that during the compression stroke of the piston 5 , and in particular at the end of the compression stroke, the squeezed air produces an axially rotating swirl in the annular combustion chamber 12 a.
Bei der dritten Variante, die jeweils auf der rechten Seite der Fig. 3 und 4 gezeigt ist, ist in zwei bogenförmigen Ausbuchtungen am Außenrand der Brenn kammer 12a je ein Röhrchen 7 angeordnet, das zumindest beim Anlassen des Motors elektrisch beheizbar ist. Dabei wird der Brennstoff durch zwei seitlich am Zylinderkopf 2 angeordnete Einstrahldüsen 10 direkt in die Röhrchen 7 einge spritzt, wobei der eingespritzte Brennstoff beim Lauf durch die Röhrchen 7 bei noch geringerem Kontakt mit der Frischladung noch besser zur Vergasung er hitzt wird und in verdampftem Zustand das Röhrchen 7 verläßt und zur Verbren nung mit der Frischladung vermischt wird. Dabei breitet sich nach der Zündung des Brennstoffs die Flammenfront nur entlang der ringförmigen Brennkammer 12a aus, so daß eine schnelle, kontinuierliche und vollständige Verbrennung des bereits verdampften Brennstoffs bei einer niedrigen Drucksteigerungsrate und damit bei niedrigen Brenngeräuschen stattfindet.In the third variant, which is shown on the right side of FIGS. 3 and 4, a tube 7 is arranged in two arcuate bulges on the outer edge of the combustion chamber 12 a, which is electrically heated at least when the engine is started. The fuel is injected directly into the tubes 7 by two injection nozzles 10 arranged laterally on the cylinder head 2 , the injected fuel being heated even better for gasification when it runs through the tubes 7 with even less contact with the fresh charge and in the vaporized state Leaves tube 7 and is mixed for combustion with the fresh charge. After the ignition of the fuel, the flame front only spreads along the annular combustion chamber 12 a, so that a rapid, continuous and complete combustion of the already vaporized fuel takes place at a low pressure increase rate and thus with low combustion noise.
Bei der vierten Variante, die jeweils auf der linken Seite der Fig. 3 und 4 gezeigt ist, ist die Brennkammer 12a mit etwas größerem Durchmesser als der Verbrennungszylinder 12 ausgebildet. Dadurch, sowie durch eine V-förmige Anord nung der Ventile im Zylinderkopf 2 können wesentlich größere Ventile 21 verwen det werden. Der Brennstoff wird auf der glatten Zylinderwand der Brennkammer 12a tangential eingespritzt, wobei der Drall wegen der glatten Zylinderwand der Brennkammer 12a eine noch höhere Geschwindigkeit erreicht und der Mischvorgang beschleunigt wird. Durch den größeren Durchmesser der Brennkammer 12a kann der eingespritzte Brennstoff nicht auf die Lauffläche der Verbrennungszylinder 12 überlaufen. In the fourth variant, which is shown on the left side of FIGS. 3 and 4, the combustion chamber 12 a is formed with a slightly larger diameter than the combustion cylinder 12 . As a result, and by a V-shaped arrangement of the valves in the cylinder head 2 , much larger valves 21 can be used. The fuel is injected tangentially onto the smooth cylinder wall of the combustion chamber 12 a, the swirl reaching an even higher speed because of the smooth cylinder wall of the combustion chamber 12 a, and the mixing process is accelerated. Due to the larger diameter of the combustion chamber 12 a, the injected fuel cannot overflow onto the running surface of the combustion cylinder 12 .
In Fig. 5 ist der Axialschnitt durch eine Einspritzdüse 20 quer zum Verbren nungszylinder 2 der fünften Variante einer Brennkammer 12a gezeigt. Unmittelbar vor der Einspritzdüse 14 im Düsenhalter 20 ist eine kleine Brennstoffkammer 17 vorgesehen, die durch die Düsennadel 15 beidseitig dichtend abschließbar und zumindest beim Anlassen mittels eines elektrischen Heizkörpers 18 und eines Kabel 16 elektrisch beheizbar ist. In dieser Brennstoffkammer 17 bleibt der einzuspritzende Brennstoff zwischen den Einspritzvorgängen für eine Weile zum Erwärmen. Dabei wird der erwärmte Brennstoff etwa in die Mitte des Frischluft dralls in die ringförmige Brennkammer tangential eingespritzt, so daß der eingespritzte Brennstoff durch die vom Luftdrall erzeugte Ladungsschichtung möglichst fern der Brennraumwände gehalten wird, wodurch eine direkte Aufhei zung der Brennraumwände durch die heißen Brenngase vermindert wird.In Fig. 5, the axial section through an injection nozzle 20 across the combustion cylinder 2 of the fifth variant of a combustion chamber 12 a is shown. Immediately in front of the injection nozzle 14 in the nozzle holder 20 , a small fuel chamber 17 is provided, which can be sealed on both sides by the nozzle needle 15 and can be electrically heated at least when started by means of an electric heating element 18 and a cable 16 . In this fuel chamber 17 , the fuel to be injected remains for a while to warm up between the injection processes. The heated fuel is swirled approximately tangentially in the middle of the fresh air into the annular combustion chamber, so that the injected fuel is kept as far away from the combustion chamber walls as possible by the charge stratification generated by the air swirl, whereby a direct heating up of the combustion chamber walls is reduced by the hot combustion gases .
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