DE19827463A1 - Direkteinspritzender Dieselmotor mit tumblegestütztem Brennverfahren - Google Patents

Abstract

Das Verfahren betrifft einen Dieselmotor, dessen einzelne Zylinder (1) jeweils mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung versehen sind, deren Düse (21) jeweils vertikal in den Brennraum (2) des Zylinders (1) ausmündet, mit wenigstens einem Auslaßventil (9) und wenigstens zwei Einlaßventilen (7) je Zylinder, denen im Zylinderkopf (3) zwei im wesentlichen parallel verlaufende Einlaßkanäle (6) zugeordnet sind, die geneigt in den Brennraum (2) einmünden, wobei der durch den Zylinderkopf (3) einerseits und den Kolbenboden (13) andererseits begrenzte Brennraum (2) eines Zylinders (1) so gestaltet ist, daß die Ladungsbewegung im Brennraum (2) einen Drall um die Zylinderachse (17) mit einem Wert von CU/CA 0,5 und einen Tumble um die Querachse mit einem Wert von CT/CA >= 0,5 aufweist, und wobei die Einspritzdüse mit mindestens fünf Düsenöffnungen versehen ist.

Description

Bei direkteinspritzenden Dieselmotoren, insbesondere PKW-Die­ selmotoren, 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 Zylin­ derwände gelangt, um so ein möglichst gleichmäßiges Kraft­ stoff-Luft-Gemisch zu erzielen.

Zur guten Gemischaufbereitung ist es beispielsweise aus EP-A-0 634 572 bekannt, bei einer im wesentlichen eben­ flächigen Begrenzung des Brennraums durch den Zylinderkopf die Einlaßkanäle so zu führen, daß die in den Zylinder ein­ strömende Luft eine starke Drallbewegung um die Zylinder­ achse erhält, die auch noch dann wirksam ist, wenn der Kraft­ stoff eingespritzt wird. Dies ist jedoch nur mit einem geome­ trisch komplizierten Zylinderkopf zu bewerkstelligen.

Aus DE-A-42 41 104 ist ein Dieselmotor bekannt, dessen Zylin­ der einen verlaufenden Brennraum aufweist, der zylinderkopf­ seitig zwei in der Höhe versetzt zueinander angeordnete Stu­ fen 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 aus­ geführt. 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 Zylin­ derkopf und kompliziert gestaltete Kolben.

Aus DE-A-195 37 028 ist ein gegenüber DE-A-42 41 104 abge­ wandelter Dieselmotor bekannt, bei dem wiederum die Einlaß­ ventile gegenüber den Auslaßventilen höher angeordnet sind, jedoch die zylinderkopfseitige Begrenzung des Brennraums auf der Einlaßseite gegenüber der Zylinderachse geneigt ausge­ richtet und auf der Auslaßseite horizontal verlaufend ausge­ richtet ist. Der zugehörige Kolbenboden ist in seiner Kontur entsprechend ausgebildet, wobei sich die der Auslaßseite zu­ geordnete, im wesentlichen horizontale Kolbenbodenfläche bis in den Einlaßbereich erstreckt, so daß in der oberen Tot­ punktstellung ein quer zur Zylinderachse verlaufender Wal­ zenbrennraum entsteht, in den quer zur Zylinderachse Kraft­ stoff eingespritzt wird. Auch diese Brennraumgestaltung er­ fordert geometrisch komplizierte Zylinderköpfe und Kolben mit zerklüftet gestalteten Kolbenböden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen direkt­ einspritzenden 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, dessen einzelne Zylinder jeweils mit einer Kraftstoffeinspritzein­ richtung versehen sind, deren Düse jeweils vertikal in den Brennraum des Zylinders ausmündet, und mit wenigstens einem Auslaßventil und mit wenigstens zwei Einlaßventilen je Zylin­ der, denen im Zylinderkopf zwei im wesentlichen parallel ver­ laufende Einlaßkanäle zugeordnet sind, die geneigt in den Brennraum einmünden, wobei der durch den Zylinderkopf einer­ seits und den Kolbenboden andererseits begrenzte Brennraum eines Zylinders so gestaltet ist, daß die Ladungsbewegung im Brennraum einen Drall um die Zylinderachse mit einem Wert von CU/CA ≦ 0,5 und einen Tumble um die Querachse mit einem Wert von CT/CA ≧ 0,5 aufweist und wobei die Einspritzdüse mit min­ destens fünf Einspritzöffnungen versehen ist. CU bezeichnet die Umfangsgeschwindigkeitskomponente einer Drallströmung und CA entsprechend die axiale Geschwindigkeitskomponente, so daß das Verhältnis CU/CA ein Maß für die Intensität einer Drall­ strömung darstellt. In Analogie zur Drallströmung gibt CT die tangentiale Geschwindigkeitskomponente des Tumble oder Wal­ zenwirbels an, während CA wiederum die axiale Geschwindig­ keitskomponente wiedergibt. Das Verhältnis CT/CA stellt das Maß für die Intensität der Tumbleströmung dar.

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-Einspritzsystemen mit Drücken über 1000 bar realisier­ bar ist. Insbesondere die Einlaßkonfiguration mit zwei im we­ sentlichen parallel verlaufenden, geneigt in den Brennraum einmündenden Einlaßkanälen bewirkt, daß für einen direktein­ spritzenden Dieselmotor die homogene Gemischbildung durch ei­ ne sogenannte Tumblebewegung erzielt wird. Die zylinderkopf­ seitige 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 die zylinderkopfseitige Begrenzung des Brennraums zumindest in ihrem wesentlichen Bereich dachförmig ausgebildet ist, wobei in einer Dachfläche die Einlaßkanäle einmünden und in der an­ deren Dachfläche wenigstens ein Auslaßkanal einmündet. Beson­ ders zweckmäßig ist es hierbei, wenn der dachförmig ausgebil­ dete 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 ange­ paßte Brennraumgestaltung bei Einhaltung der vorstehend ange­ gebenen Bedingungen für die Ladungsbewegung mit CU/CA ≦ 0,5 und CT/CA ≧ 0,5 für das Dieselverfahren sehr gute Werte hin­ sichtlich Leistung, Kraftstoffverbrauch und niedriger Emis­ sion ergibt.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorge­ sehen, daß der Kolbenboden eine Mulde, vorzugsweise eine topfförmige Mulde, aufweist. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Mulde eine im wesentlichen kreiszylindrische Form und ei­ nen ebenflächigen Boden aufweist. Bei einem teilweise dach­ förmig ausgebildeten Kolbenboden ist die Mulde im Bereich der Zylinderachse angeordnet, so daß nur die verbleibenden äuße­ ren Randbereiche dachförmig ausgebildet sind, während an­ schließend an den "Traufenbereich" der Dachform ein ebenflä­ chiger 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 Einspritzeinrich­ tung mit Abstand in Richtung auf das Auslaßventil versetzt angeordnet ist.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Zylinder,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch den oberen Bereich eines Kolbens ent­ lang der Zylinderachse,

Fig. 3 eine zugeordnete Aufsicht auf den Kolben gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine ausgebildete Drallströmung am Ende der Ansaugphase,

Fig. 5 eine ausgebildete Tumbleströmung,

Fig. 6 schematisch die Entwicklung einer Tumble­ strömung in der Ansaugphase,

Fig. 7 die Anordnung der Düsenöffnungen an einer Einspritzdüse.

In Fig. 1 ist ein Zylinder 1 eines Dieselmotors in einem Ver­ tikalschnitt dargestellt, dessen Brennraum 2 durch einen Zy­ linderkopf 3 einerseits und einen Kolben 4 andererseits be­ grenzt ist. Die Begrenzungsfläche 5 des Brennraums 2 im Zy­ linderkopf 3 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbei­ spiel dachförmig ausgebildet, wobei in der einen Dachfläche 5.1 zwei parallel nebeneinander verlaufende Einlaßkanäle 6 einmünden, die jeweils durch ein Einlaßventil 7 verschließ­ bar sind und in der anderen Dachfläche 5.2 zwei parallele Auslaßkanäle 8 ausmünden, die jeweils durch ein Auslaßventil 9 verschließbar sind. Im "Traufenbereich" 10 der beiden Dach­ flächen 5.1 und 5.2 geht bei dem hier dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel die zylinderkopfseitige Begrenzung in eine ebe­ ne Randfläche 11 über, die sich parallel zur Firstlinie 12 der Begrenzungsfläche 5 erstreckt. Es ist aber auch eine Aus­ führungsform möglich, bei der sowohl am Brennraumdach als auch am Kolbenboden die Dachflächen bis zur Zylinderwandung abfallend ausgebildet sind.

Der in Fig. 1 dargestellte Schnitt ist versetzt geführt und zwar im Bereich des Zylinderkopfes 3 durch die Achse 6.1 ei­ nes Einlaßkanals 6 und dem zugeordneten Auslaßkanal 8. Im Be­ reich 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 dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen entsprechend der Form der zylinderkopfseitigen Begrenzungsfläche 5 ausgebildet, mit der Besonderheit, daß - wie aus Fig. 3 ersichtlich - in die Dach­ fläche des Kolbenbodens 13 eine topfförmige Mulde 14 eingear­ beitet 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 Einspritzachse 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.

In Fig. 1 ist der Kolben 4 in seiner Abwärtsbewegung bei ge­ öffneten Einlaßventilen 7 dargestellt. Aufgrund der Brenn­ raumkonfiguration 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 Kompres­ sionsphase, d. h. bei geschlossenen Einlaßventilen 7 und bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 weitgehend aufrechterhal­ ten 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 Kraft­ stoffmenge fein verteilt in diese Tumbleströmung eingebracht, so daß die Kraftstoffmenge einen langen Weg ohne Kontakt mit der Zylinderwandung zurücklegen und hierbei eine homogene Ge­ mischbildung im Brennraum bewirkt werden kann.

Die Tumbleströmung, die maßgeblich durch die Geometrie der Einlaßkanäle erzeugt wird, wird im wesentlichen durch die Geometrie des Brennraums 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 Kol­ benboden 13 neben seiner ebenfalls stabilisierenden Wirkung auf den Tumble die gewünschten weiten Weglängen für die ein­ gespritzten Kraftstoffmengen gewährleistet. Hierbei ist für die Abmessungen ein Verhältnis von Muldendurchmesser zu Kol­ bendurchmesser von 0,5 bis 1,5 zweckmäßig.

Die vorstehend erwähnte Asymmetrie der Brennraumgestaltung ist aus der in Fig. 2 und 3 im Schnitt und in der Aufsicht dargestellten Gestaltung des Kolbenboden erkennbar. Durch die Zuordnung der Bezugszeichen der einzelnen zu Fig. 1 bereits erläuterten Merkmale kann auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden.

Wie aus Fig. 2 und 3 erkennbar, ist die topfförmige Mulde 14 im Zylinderkopf 13 im wesentlichen kreiszylindrisch ausgebil­ det 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 zwi­ schen 13 und 18, zweckmäßig von etwa 15 Grad auf. Die Einlaß­ kanäle 6 sind mit ihrer Mittelachse 6.1 in ihrem Bereich un­ mittelbar vor dem gekrümmten Übergang zu der durch das Ein­ laßventil 7 verschließbaren Einlaßöffnung 7.1 um einen Winkel a zwischen 15 und 24, zweckmäßig von etwa 29 Grad gegenüber der Horizontalen geneigt.

Zum besseren Verständnis der Strömungsvorgänge ist in Fig. 4 eine ausgebildete Drallströmung am Ende einer Ansaugphase dargestellt. Die zugehörigen Geschwindigkeitskomponenten CU und CA sind durch Pfeile entsprechend gekennzeichnet.

Fig. 5 zeigt für die gleiche Kolbenstellung eine ausgebildete Tumbleströmung. Auch hier sind die Geschwindigkeitskomponen­ ten CT und CA entsprechend durch Pfeile gekennzeichnet. Fig. 5 läßt erkennen, daß die Anordnung der Mulde 14 auf dem Kol­ benboden 13 bei der anschließenden Aufwärtsbewegung des Kol­ bens 4 in der Kompressionsphase maßgeblich zur Aufrechterhal­ tung der Tumbleströmung beiträgt, so daß in der Einspritzpha­ se am Ende des Kompressionshubes immer noch eine ausreichende Strömungskomponente CT vorhanden ist, um so für eine voll­ ständige Gemischbildung zu sorgen.

Fig. 6 zeigt in Einzelschritten, wie in der Ansaugphase die zunächst axial einströmende Luft im weiteren Verlauf der An­ saugphase bis zum Ende der Ansaugphase sich in eine Tumble­ strömung umstellt, was maßgeblich durch die geometrische Zu­ ordnung der Einlaßkanäle 6 zum Zylinderraum und auch durch die Anordnung eines entsprechenden Brennraumdaches 5 unter­ stützt wird.

In Fig. 7 ist die in den Brennraum 2 hineinragende Düse 21 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung schematisch dargestellt. Wie die Zeichnung erkennen läßt, weist die Düse 21 eine Viel­ zahl von Düsenöffnungen 22 auf, mindestens fünf. Die Düsen­ öffnungen sind gegenüber der Einspritzachse 18 so ausgerich­ tet, daß die austretenden feinen Kraftstoffstrahlen unter ei­ nem Winkel c von etwa 60 bis 80 Grad in den Brennraum 2 aus­ treten.

Die vorstehend dargestellte und beschriebene Brennraumgestal­ tung ist an sich von Otto-Motoren bekannt. Es hat sich über­ raschend herausgestellt, daß eine derartige Brennraumgestal­ tung auch für ein Dieselbrennverfahren mit Direkteinspritzung die Forderung nach hohen Mitteldrücken bei sehr günstigem Kraftstoffverbrauch und niedrigen Emissionen zu erfüllen ver­ mag. Hieraus ergeben sich auch herstellungstechnische Vortei­ le, da es nunmehr möglich wird, für Otto-Motoren und für Die­ selmotoren gleicher Baugröße Zylinderköpfe auf den gleichen Fertigungsstraßen herstellen zu können.

Claims (10)

1. Dieselmotor, dessen einzelne Zylinder (1) jeweils mit ei­ ner Kraftstoffeinspritzeinrichtung versehen sind, deren Düse (21) jeweils vertikal in den Brennraum (2) des Zylinders (1) ausmündet, mit wenigstens einem Auslaßventil (9) und wenig­ stens zwei Einlaßventilen (7) je Zylinder, denen im Zylinder­ kopf (3) zwei im wesentlichen parallel verlaufende Einlaßka­ näle (6) zugeordnet sind, die geneigt in den Brennraum (2) einmünden, wobei der durch den Zylinderkopf (3) einerseits und den Kolbenboden (13) andererseits begrenzte Brennraum (2) eines Zylinders (1) so gestaltet ist, daß die Ladungsbewegung im Brennraum (2) einen Drall um die Zylinderachse (17) mit einem Wert von CU/CA ≦ 0,5 und einen Tumble um die Querachse mit einem Wert von CT/CA ≧ 0,5 aufweist, und wobei die Ein­ spritzdüse mit mindestens fünf Düsenöffnungen versehen ist.

2. Dieselmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderkopfseitige Begrenzung des Brennraums (2) zumin­ dest teilweise eben ausgebildet ist.

3. Dieselmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die zylinderkopfseitige Begrenzung (5) des Brenn­ raums (2) zumindest in ihrem wesentlichen Bereich dachförmig ausgebildet ist, wobei in einer Dachfläche (5.1) die Einlaß­ kanäle (6) einmünden und in der anderen Dachfläche (5.2) we­ nigstens ein Auslaßkanal (8) einmündet.

4. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kolbenboden (13) entsprechend der zy­ linderkopfseitigen Begrenzung (5) des Brennraums (2) dachför­ mig ausgebildet ist.

5. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kolbenboden (13) eine Mulde, vorzugs­ weise topfförmige Mulde (14), aufweist.

6. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mulde (14) eine im wesentlichen kreis­ zylindrische Form aufweist.

7. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mulde (14) einen ebenflächigen Boden (20) aufweist.

8. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vertikale Achse der Mulde (14) mit der Vertikalachse (18) der Einspritzeinrichtung zusammenfällt.

9. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vertikalachse (18) der Einspritzein­ richtung gegenüber der Zylinderachse (17) mit Abstand in Richtung auf das Auslaßventil (9) versetzt angeordnet ist.

10. Dieselmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einspritzöffnungen (22) der Einspritz­ düse (21) unter einem Winkel c zwischen 60 und 80 Grad zur Vertikalachse (18) ausgerichtet sind.