DE3735169A1 - Method of direct fuel injection for a diesel internal combustion engine - Google Patents
Method of direct fuel injection for a diesel internal combustion engineInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Direkteinspritz verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to a direct fuel injection proceed according to the preamble of the main claim.
Die US-PS 23 56 627 beschreibt ein derartiges Verfahren, bei welchem eine vorgegebene Kraftstoffmenge unterteilt in eine Vor- und eine Haupteinspritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht wird. Im einzelnen erfolgt dabei der Beginn der Voreinspritzung ca. 14° vor dem Zünd-O. T. und dauert ungefähr bis 10° vor O. T. Nach einer Pause von ca. 9°-10° Kurbelwinkel beginnt ca. 1° vor O. T. schließlich die Haupteinspritzung. Über das Verhältnis der Vor- zur Haupteinspritzmenge ist in der genannten Schrift lediglich gesagt, daß die Vor einspritzmenge sowohl kleiner, gleich oder auch größer als die Haupteinspritzmenge sein kann. Bei dem Verfahren nach der US-PS 23 56 627 ist ferner vorgesehen, die Voreinspritzmenge und den Abstand zwischen dem Ende der Voreinspritzung und dem Beginn der Haupteinspritzung so zu wählen, daß der Haupteinspritzstrahl im Brennraum noch eine offene Flamme von der Voreinspritzmenge, die gerade umgesetzt wird, vorfindet. Diese Art der Kraft stoffeinspritzung vermindert zwar den Druckgradienten beim Verbrennen der Haupteinspritzmenge und damit auch das Verbrennungsgeräusch, jedoch kommt es infolge der offenen Flamme im Brennraum sehr leicht zum Cracken einzelner mit der Haupteinspritzmenge eingebrachter Kraftstoffmoleküle.The US-PS 23 56 627 describes such a method at which a predetermined amount of fuel is divided into a pre-injection and a main injection into the combustion chamber the internal combustion engine is introduced. In detail the pre-injection begins approx. 14 ° before the Zünd-O. T. and lasts approximately to 10 ° before O. T. Nach a pause of approx. 9 ° -10 ° crank angle begins approx. 1 ° before O.T. finally the main injection. over is the ratio of the pre-injection quantity to the main injection quantity in the cited document only said that the pre injection quantity both smaller, equal or larger than the main injection quantity can be. In the process according to US-PS 23 56 627 is also provided that Pre-injection quantity and the distance between the end the pre-injection and the start of the main injection to be chosen so that the main injection jet in the combustion chamber still an open flame from the pre-injection amount that is being implemented. That kind of strength Injection of substance reduces the pressure gradient when the main injection quantity is burned and thus also the combustion noise, however, it comes as a result of open flame in the combustion chamber very easy to crack individual injected with the main injection quantity Fuel molecules.
Damit ist eine erhöhte Rußemission gegeben, so daß eine fest vorgegebene Schwärzungszahl schon bei einem relativ niederen effektiven Mitteldruck erreicht wird, was letztlich zu Lasten der Brennkraftmaschinen leistung geht.This results in an increased soot emission, so that a predetermined blackening number for one relatively low effective medium pressure is reached ultimately at the expense of internal combustion engines performance goes.
Diese genannten Nachteile treten unter Beibehaltung der o. g. Winkelmarken für Vor- und Haupteinspritzung in ver stärktem Maße in höheren Drehzahlbereichen auf, denn mit steigender Drehzahl sinkt die für die Gemischbildung zur Verfügung stehende Zeit, so daß die Verbrennung ins besondere der Haupteinspritzmenge sehr weit in den Ex pansionstakt verschoben wird, was zu erheblichen Wirkungs gradverlusten und damit zu erhöhtem spezifischen Kraftstoff verbrauch führt.These disadvantages mentioned occur while maintaining the o. g. Angle marks for pre and main injection in ver to a greater extent in higher speed ranges, because with increasing speed decreases the mixture formation Time available so that the combustion into special of the main injection quantity very far into the Ex pansionstakt is postponed, resulting in significant effects degree losses and thus increased specific fuel consumption leads.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein im Oberbegriff des Hauptanspruches beschriebenes Kraftstoff einspritzverfahren zu schaffen, mit welchem ein geringer Zündverzug und eine Erhöhung der Gemischbildungsenergie unter Einhaltung eines möglichst geringen spezifischen Kraftstoffverbrauchs erzielbar ist. The invention is therefore based on the object Preamble of the main claim described fuel to create injection process with which a low Ignition delay and an increase in the mixture formation energy while maintaining the lowest possible specific Fuel consumption can be achieved.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 oder 2 gelöst.The object is achieved by the features of characterizing part of claim 1 or 2 solved.
Dadurch, daß die Voreinspritzmenge sehr klein ist und erst relativ spät in den Brennraum gelangt, muß vom Kolben nur eine äußerst geringe Mehrarbeit aufgebracht werden, woraus sich ein günstiger spezifischer Kraft stoffverbrauch der Brennkraftmaschine ergibt. Ein weiterer Vorteil einer relativ späten Einspritzung der sehr kleinen Voreinspritzmenge besteht darin, daß dieser Kraftstoff zu einem Zeitpunkt in den Brennraum gelangt, zu dem be reits ein hoher Verdichtungsdruck vorliegt. Die Vorein spritzmenge entzündet sich deshalb frühzeitig und auf grund ihrer geringen Bemessung verbrennt sie innerhalb eines kurzen Zeitintervalles vollständig, so daß schon in einem geringen Abstand nach dem Ende der Voreinsprit zung die Haupteinspritzung erfolgen kann. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß sich vor der Haupteinspritzung zum einen ein relativ hohes Temperaturniveau im Brenn raum und zum anderen eine erhöhte Strömungsgeschwindig keit der im Brennraum befindlichen Gase einstellt. Es wird somit nach dem Beginn der Haupteinspritzung durch das relativ hohe Temperaturniveau ein rasches Ver dampfen des eingespritzten Kraftstoffes und infolge der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit eine gute Homogenisierung des Zylinderinhaltes erzielt. Ein schnelles Verdampfen des Kraftstoffes und eine gute Gemischbildung bedingen einen kurzen Zündverzug, durch den zu Beginn der Verbrennung der Haupteinspritzung die Wärmefreisetzungsrate abgesenkt wird, wodurch auch weniger Wärme in das Kühlwasser abfließen kann. Durch Reaktionsprodukte aus der Voreinspritzung wird das Durch brennen des Kraftstoffes beschleunigt, so daß der Ver brennungsablauf bei relativ konstanter Wärmefreisetzungs rate stattfindet. Damit werden hinsichtlich Geräusch- und Abgasemissionen die gleichen Vorteile wie bei einem Vorkammermotor erzielt; trotzdem bleiben die verbrauchs spezifischen Vorteile des Direkteinspritzverfahrens erhalten.Because the pre-injection quantity is very small and arrives at the combustion chamber relatively late, must Piston applied very little extra work be what gives rise to a favorable specific force material consumption of the internal combustion engine results. Another Advantage of a relatively late injection of the very small ones Pre-injection amount is that this fuel reaches the combustion chamber at a time when be there is already a high compression pressure. The advance Spray quantity therefore ignites early and on due to its small size, it burns inside a short time interval completely, so that already at a short distance after the end of the pre-injection main injection can take place. Farther it is advantageous that before the main injection on the one hand a relatively high temperature level in the kiln space and on the other hand an increased flow rate speed of the gases in the combustion chamber. It is thus through after the start of the main injection the relatively high temperature level a quick ver vaporize the injected fuel and as a result the increased flow rate a good one Homogenization of the cylinder contents achieved. A fast vaporization of the fuel and a good one Mixture formation requires a short ignition delay at the beginning of the combustion of the main injection Heat release rate is lowered, which also less heat can flow into the cooling water. By Reaction products from the pre-injection becomes the through burn the fuel accelerates so that the Ver combustion process with relatively constant heat release rate takes place. This means that and exhaust emissions have the same benefits as one Prechamber engine achieved; nevertheless, the consumption remains specific advantages of the direct injection process receive.
Des weiteren führt der geringe Zündverzug auch dazu, daß der Druck im Brennraum nicht auf zu hohe Werte ansteigen kann, wodurch die Spitzentemperatur im Brennraum und da mit die Stickoxidbildung gegenüber konventionellen Direkt einspritzverfahren deutlich niedriger ausfällt. Schließ lich besteht ein weiterer Vorteil der Einspritzung einer möglichst geringen Voreinspritzmenge darin, daß zum Zeit punkt des Haupteinspritzbeginns im Brennraum noch ein relativ großes Angebot an Frischluft vorliegt, so daß es zu keiner nennenswerten Erhöhung der Rußbildung kommt.Furthermore, the slight delay in ignition also leads to the fact that the pressure in the combustion chamber does not rise to high values can, causing the peak temperature in the combustion chamber and there with nitrogen oxide formation compared to conventional direct injection process is significantly lower. Close Lich another advantage of injecting one the smallest possible pre-injection quantity in that at the time point of the main start of injection in the combustion chamber there is a relatively large supply of fresh air, so that there is no appreciable increase in soot formation.
Ebenfalls günstig auf die Rußemission wirkt sich aus, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehend vom unteren Dreh zahlbereich bis hin in den Nenndrehzahlbereich vor dem Beginn der Haupteinspritzung immer eine vollständige Umsetzung der Voreinspritzmenge gewährleistet ist. Bezogen auf eine fest vorgegebene Schwärzungszahl ist somit ein erhöhter effektiver Mitteldruck und gleichzeitig natürlich auch eine erhöhte Brennkraftmaschinenleistung erzielbar.That also has a favorable effect on the soot emission with the method according to the invention starting from the lower turn number range up to the nominal speed range before the start the main injection always a full implementation of the Pre-injection quantity is guaranteed. Relating to one the predetermined blackening number is thus an increased one effective medium pressure and of course at the same time an increased internal combustion engine performance can be achieved.
Eine drehzahlabhängige Verschiebung des Voreinspritzbe ginns und des Haupteinspritzbeginns in erfindungsgemäßer Weise hat den Vorteil, daß die Umsetzung der Hauptein spritzmenge hinsichtlich des Wirkungsgrades der Brenn kraftmaschine immer zum optimalen Zeitpunkt erfolgt.A speed-dependent shift of the pilot injection gins and the main injection in inventive Way has the advantage that the implementation of the main one injection quantity with regard to the efficiency of the combustion engine always takes place at the optimal time.
Da beim Dieselmotor im Leerlaufbereich immer mit einem großen Luftüberschuß gefahren wird und damit die Schad stoffemission ohnehin relativ gering ist, ist es auch möglich, in diesem Betriebsbereich auf die Voreinspritzung ganz zu verzichten und die gesamte Kraftstoffmenge mit der Haupteinspritzung, die ca. 2° nach O. T. beginnt, in den Brennraum einzubringen.Because with the diesel engine in the idling range always with one large excess air is driven and thus the damage emissions is relatively low anyway, it is possible in this operating range on the pre-injection to do without and the total amount of fuel the main injection, which begins about 2 ° after O.T., in bring the combustion chamber.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Direkteinspritz verfahrens besteht darin, daß das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine in Richtung eines hinsichtlich thermischem und mechanischem Wirkungsgrad optimalen Wertes verringert werden kann, ohne daß dabei ein ver größerter Zündverzug mit den damit verbundenen Nach teilen zu befürchten ist.Another advantage of the direct injection according to the invention process is that the compression ratio the internal combustion engine in the direction of a thermal and mechanical efficiency optimal Value can be reduced without a ver greater ignition delay with the associated after sharing is to be feared.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Zeichnung an hand eines Diagrammes A D = f (°Kurbelwinkel) veranschau licht.The method according to the invention is illustrated in the drawing using a diagram A D = f (° crank angle).
Auf der Abszisse 2 des Schaubildes 1 ist die Drehung einer Kurbelwelle einer Dieselbrennkraftmaschine in °Kurbelwinkel aufgetragen und auf der Ordinate 3 der Öffnungsquerschnitt A D einer zur Einspritzung in den Brennraum verwendeten Mehrlochdüse einer über eine elektronische Steuereinheit gesteuerten Pumpdüsenvorrichtung. Das Diagramm 1 be schreibt den Verlauf der Kraftstoffeinspritzung, wobei das Rechteck 4 die Voreinspritzung und das Rechteck 5 die Haupteinspritzung darstellt. Damit während der Vor einspritzung auch nur eine möglichst geringe Kraftstoff menge in den Brennraum gelangen kann, wird in diesem Zeit raum an der Einspritzdüse nur ein Mindestquerschnitt A Dmin , während der Haupteinspritzung hingegen der volle Öffnungsquerschnitt A Dmax freigegeben. Mit α V ist die Lage des Beginns der Voreinspritzung vor dem Zünd-O. T., mit α py der Abstand zwischen dem Ende der Voreinspritzung und mit α H die Lage des Beginns der Haupteinspritzung vor dem Zünd-O. T. bezeichnet. α V , α p und α H sind ab hängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine. So be trägt bei Leerlaufdrehzahl a V ca. 10°-16° Kurbelwinkel und α H ca. - 2° Kurbelwinkel, d. h. der Haupteinspritzbe ginn liegt hier ca. 2° nach dem Zünd-O. T. Bei Nenndreh zahl dagegen beträgt α V ca. 20°-30° Kurbelwinkel und α H ca. 15° Kurbelwinkel.The rotation of a crankshaft of a diesel internal combustion engine is plotted in ° crank angle on the abscissa 2 of the diagram 1 and the opening cross section A D of a multi-hole nozzle used for injection into the combustion chamber of a pump nozzle device controlled by an electronic control unit is plotted on the ordinate 3 . Diagram 1 describes the course of the fuel injection, the rectangle 4 representing the pre-injection and the rectangle 5 representing the main injection. Thus during the pre injection only quantitative lowest possible fuel can reach the combustion chamber, in this time space on the injector just a minimum cross section A D min, while the main injection, however, released the wide opening A Dmax. With α V is the location of the start of the pilot injection before the ignition top dead center, with α the distance between the end of the preinjection and py denotes the location of the start of main injection before the ignition top dead center with α H. α V , α p and α H are dependent on the speed of the internal combustion engine. At idle speed a V , for example, the crank angle is approx. 10 ° -16 ° and α H approx. - 2 ° crank angle, i.e. the main injection starts here approx. 2 ° after the ignition TDC. At nominal speed, however, α V is approx. 20 ° -30 ° crank angle and α H approx. 15 ° crank angle.
In Drehzahlbereichen zwischen Leerlauf und Nenndrehzahl werden die einzelnen Einspritzzeitpunkte innerhalb der zuvor beschriebenen Grenzen kontinuierlich der jeweiligen Drehzahl angepaßt, also verschiebt sich der Beginn der Voreinspritzung mit sinkender Drehzahl der Brennkraft maschine in Richtung des Zünd-O. T. ausgehend von ca. 20°-30° Kurbelwinkel vor Zünd-O. T. bei Nenndrehzahl bis ca. 10°-16° Kurbelwinkel vor Zünd-O. T. bei Leer laufdrehzahl. Auch der Beginn der Haupteinspritzung wird mit steigender Drehzahl kontinuierlich vorverlegt und zwar ausgehend von ca. 2° Kurbelwinkel nach Zünd-O. T. bei Leerlaufdrehzahl bis ca. 15° Kurbelwinkel vor Zünd-O. T. bei Nenndrehzahl.In speed ranges between idle and nominal speed the individual injection times within the previously described limits continuously of the respective Adjusted speed, so the beginning of shifts Pre-injection with decreasing engine speed machine in the direction of the Zünd-O. T. starting from approx. 20 ° -30 ° crank angle before Zünd-O. T. at nominal speed up to approx. 10 ° -16 ° crank angle before Zünd-O. T. at Leer running speed. The beginning of the main injection will also continuously advanced with increasing speed and starting from approx. 2 ° crank angle according to Zünd-O. T. at idle speed up to approx. 15 ° crank angle Zünd-O. T. at nominal speed.
Der Abstand α P vom Ende der Voreinspritzung bis zum Be ginn der Haupteinspritzung liegt dabei je nach momentaner Last der Brennkraftmaschine bei Leerlaufdrehzahl im Bereich von 3°-14° Kurbelwinkel und bei Nenndrehzahl im Bereich von 3°-26° Kurbelwinkel, wobei jeweils der geringere Wert (3°) für den Vollastbereich und der höhere Wert (14° bzw. 26°) für den Leerlaufbereich gilt.The distance α P from the end of the pre-injection to the start of the main injection is, depending on the current load of the internal combustion engine, at idle speed in the range of 3 ° -14 ° crank angle and at nominal speed in the range of 3 ° -26 ° crank angle, the lower in each case The value (3 °) for the full load range and the higher value (14 ° or 26 °) for the idle range applies.
Obwohl α P in höheren Drehzahlbereichen zum Teil relativ gering ist, ist dennoch immer eine vollständige Umsetzung der gesamten Voreinspritzmenge bis zum Beginn der Haupt einspritzung gewährleistet. Dies liegt darin begründet, daß sich mit steigender Drehzahl die Gemischbildung im Brennraum verbessert, zum einen aufgrund der sich mit wachsender Drehzahl vergrößernden Strömungsgeschwindig keit der angesaugten Frischluft und zum anderen aufgrund des sich mit wachsender Drehzahl erhöhenden Temperatur niveaus im Brennraum der Brennkraftmaschine. Die günstigsten Werte für die Voreinspritzmenge bezogen auf eine Kraftstoffdichte von 0,84 g/cm3 betragen bei Zylinder-Hubvolumen von 300 cm3 bis 5000 cm3 ca. 0,5 mg Kraftstoff/Hub bis ca. 15 mg Kraftstoff/Hub. Bezogen auf die gesamte pro Hub eingespritzte Kraftstoffmenge beträgt die Voreinspritzmenge etwa zwischen 10%- 20% bei Leerlauf und 1%-5% bei Vollast. Although α P is sometimes relatively low in higher speed ranges, a complete implementation of the entire pre-injection quantity is always guaranteed until the start of the main injection. This is due to the fact that the mixture formation in the combustion chamber improves with increasing speed, on the one hand due to the increasing flow speed of the fresh air drawn in and on the other hand due to the temperature level increasing with increasing speed in the combustion chamber of the internal combustion engine. The most favorable values for the pre-injection quantity based on a fuel density of 0.84 g / cm 3 for a cylinder stroke volume of 300 cm 3 to 5000 cm 3 are approximately 0.5 mg fuel / stroke to approximately 15 mg fuel / stroke. Based on the total amount of fuel injected per stroke, the pre-injection amount is approximately between 10% - 20% at idle and 1% -5% at full load.
Claims (4)
daß der Beginn der Voreinspritzung bei Leerlaufdrehzahl im Bereich von 10°-16° Kurbelwinkel und bei Nenndreh zahl im Bereich von 20°-30° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt liegt,
daß der Beginn der Haupteinspritzung bei Leerlaufdreh zahl im Bereich von 2° Kurbelwinkel nach und bei Nenndrehzahl im Bereich von 15° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt liegt,
daß der Abstand (α p ) bei Leerlaufdrehzahl im Bereich von 3° bis 14° Kurbelwinkel und bei Nenndrehzahl im Bereich von 3° bis 26° Kurbelwinkel liegt und
daß die Voreinspritzmenge bei Leerlauf etwa 10%-20% und bei Vollast etwa 1%-5% der jeweils vorgegebenen Kraftstoffmenge beträgt.1.Fuel direct injection method for a diesel internal combustion engine, in which a predetermined amount of fuel from a fuel injector in two different injection quantities as pre and main injection quantity is introduced during the compression phase at different intervals from top dead center into a combustion chamber, the pre-injection it follows in the last sixth of the compression phase with a small pre-injection quantity in relation to the main injection quantity and then starts the injection of the main injection at a short distance from the pre-injection, characterized in that
that the start of the pre-injection is at idle speed in the range of 10 ° -16 ° crank angle and at nominal speed in the range of 20 ° -30 ° crank angle before top dead center,
that the start of the main injection at idle speed lies in the range of 2 ° crank angle and at nominal speed in the range of 15 ° crank angle before top dead center,
that the distance ( α p ) is at idle speed in the range of 3 ° to 14 ° crank angle and at nominal speed in the range of 3 ° to 26 ° crank angle and
that the pre-injection amount at idle is about 10% -20% and at full load about 1% -5% of the given amount of fuel.
daß bei Leerlaufdrehzahl die Kraftstoffeinspritzung aus schließlich über eine im Bereich von 2° Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt beginnende Haupteinspritzung erfolgt, daß knapp oberhalb der Leerlaufdrehzahl die Kraftstoff menge in einer Vor- und einer Haupteinspritzung in den Brennraum eingebracht wird, wobei der Beginn der Vor einspritzung in diesem Drehzahlbereich im Bereich von 10°-16° Kurbelwinkel und bei Nenndrehzahl im Bereich von 20°-30° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt liegt,
daß der Beginn der Haupteinspritzung bei Nenndrehzahl im Bereich von 15° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt liegt,
daß der Abstand (α p ) knapp oberhalb der Leerlaufdrehzahl im Bereich von 3° bis 14° Kurbelwinkel und bei Nenndreh zahl im Bereich von 3° bis 26° Kurbelwinkel liegt, und
daß die Voreinspritzmenge knapp oberhalb des Leerlaufs etwa 10%-20% und bei Vollast etwa 1%-5% der je weils vorgegebenen Kraftstoffmenge beträgt.2.Fuel direct injection method for a diesel internal combustion engine, in which a predetermined amount of fuel from a fuel injector in two mutually offset injection quantities as pre-and main injection quantity during the compression phase with different distances from top dead center is introduced into a combustion chamber, the pre-injection it follows in the last sixth of the compression phase with a small pre-injection quantity in relation to the main injection quantity and then starts the injection of the main injection quantity at a short distance from the pre-injection, characterized in that
that at idle speed the fuel injection finally takes place via a main injection beginning in the range of 2 ° crank angle after top dead center, that just above the idle speed the amount of fuel is introduced into the combustion chamber in a pre-injection and a main injection, the beginning of the pre-injection in this speed range in the range of 10 ° -16 ° crank angle and at nominal speed in the range of 20 ° -30 ° crank angle before top dead center,
that the start of the main injection at nominal speed is in the range of 15 ° crank angle before top dead center,
that the distance ( α p ) is just above the idle speed in the range of 3 ° to 14 ° crank angle and at rated speed in the range of 3 ° to 26 ° crank angle, and
that the pre-injection amount just above idling is about 10% -20% and at full load about 1% -5% of the amount of fuel given in each case.
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