DE10233183A1

DE10233183A1 - Einspritzvorrichtungsspitze für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10233183A1
Application number: DE10233183A
Authority: DE
Inventors: Tsu Pin Shyu; Wen Ye
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2003-05-15
Also published as: JP2003148282A; US20030079717A1; US6564772B1

Abstract

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Spitzenstruktur für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, wie sie in einem Verbrennungsmotor verwendet wird. Verbrennungsmotoren, die eine Technologie der homogenen Ladungskompressionseinspritzung (HCCI-Technologie) verwenden, erfordern eine Spitzenstruktur, die eine Brennstoffversprühung in Abwärtsrichtung leitet. Diese Anforderung macht eine Spitzenkonstruktion nötig, die mechanische Spannungen widerstehen kann, die mit der Konstruktion assoziiert sind.

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Düse und insbesondere auf eine Düsenspitze für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, die bei einem Verbrennungsmotor verwendet wird.

Hintergrund

Hersteller von Verbrennungsmotoren versuchen kontinuierlich, den Wirkungsgrad und den Emissionsausstoß von Verbrennungsmotoren zu verbessern. Bei Dieselmotoren ist viel Forschung unternommen worden, um den NOx-Ausstoß durch Anwendung von verbesserten Brennstoffeinspritzvorrichtungen und verbesserter Zeitsteuerung der Einspritzung zu reduzieren. Typischerweise findet die Verbrennung in einem Bereich von ungefähr 40 bis 50° der Kurbelwellendrehung statt. Eine Düsenspitze für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung in einem typischen modernen Dieselmotor weist einen Endteil auf, wobei der Endteil eine Vielzahl von Düsenöffnungen aufweist. Hochdruck-Brennstoff wird in den Endteil gedrückt und in die Brennkammer gesprüht, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt nähert. Die Düsenöffnungen sind orientiert, um Brennstoff in einem Winkel von 60 bis 80 Grad von einer Längsachse der Einspritzvorrichtung zu versprühen.
Die Forschung hat gezeigt, dass die NOx-Emissionen stark bei Teillast durch eine homogene Ladungskompressionszündung (HCCI = Homogenous Charge Compression Ignition) verringert werden können. Dies wird erreicht durch Einspritzung von Brennstoff in den Zylinder auf einer viel früheren Stufe im Verbrennungszyklus. In diesem Fall bezieht sich früher darauf, dass der Kolben weiter vom Zylinderkopf während des Kompressionshubes des Motors entfernt ist, wenn sich der Kolben zum Zylinderkopf hin bewegt. Diese früher Einspritzung gestattet, dass sich der Brennstoff und die Luft besser vermischen, teilweise weil es eine größere Fläche bzw. ein größeres Gebiet zwischen dem Oberteil des Kolbens und dem Zylinderkopf gibt. Wenn man Brennstoff und Luft besser vermischt hat, erzeugt dies eine vollständigere Verbrennung.
Die Verwendung einer herkömmlichen Konfiguration einer Einspritzvorrichtungsspitze, um den Betrieb mit homogener Ladungskompressionszündung eines Verbrennungsmotors zu erreichen, hat zur Folge, dass Brennstoff in einem nicht wünschenswerten Muster versprüht wird, was eine inadäquate Vermischung verursacht. Beispielsweise kann Brennstoff an den Zylinderwänden und anderen Oberflächen hängen und sich nicht ordnungsgemäß mit der Luft vermischen. Dies kommt daher, dass die Richtung der Düsenöffnungen zu den Zylinderwänden hin weist, und dass der Kolben so weit entfernt von der Brennstoffeinspritzvorrichtung ist. Durch Veränderung des Winkels der Düsen mit Bezug auf die Längsachse kann Brennstoff zur Oberseite des Kolbens hin geleitet werden. Die Veränderung des Winkels der Düsenöffnungen erzeugt ein neues Problem, eine Ermüdungslebensdauer des Düsenhohlraums am Eingang der Düsenöffnungen kann unter Verwendung der herkömmlichen Spitzengeometrie verringert werden.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargestellten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird eine Düsenspitze für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung vorgesehen. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung weist eine Längsachse auf. Die Düsenspitze weist einen Endteil auf, der eine Innenseite und eine Außenseite besitzt. Eine Vielzahl von Düsenöffnungen ist durch den erwähnten Endteil angeordnet und hat eine Mittelachse. Jede der Düsenöffnungen weist einen Winkel zwischen der Mittelachse und der Längsachse von zwischen 5 und 10 Grad auf.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht eines Motors mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, die einen Aspekt der vorliegenden Erfindung verkörpert.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht der Düsenanordnung der Fig. 1.

Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht der Düsenspitze der Fig. 2.

Fig. 4 ist eine vergrößerte Teilsschnittansicht einer Düsenspitze, die einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung verkörpert.

Detaillierte Beschreibung

Mit Bezug auf Fig. 1 weist ein Motor 10 einen Block 12 mit einer Vielzahl von Zylindern 14 darin auf, von denen nur einer gezeigt ist, und ein Zylinderkopf 16 weist einen Auslassdurchlass 18 und einen Einlassdurchlass 22 auf. Ein Einlassventil 24 ist zwischen dem Einlassdurchlass 22 und dem Zylinder 14 angeordnet. Ein Auslassventil 26 ist zwischen dem Auslassdurchlass 18 und dem Zylinder 14 angeordnet. Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 28 mit einem Körper 30, eine Düsenanordnung 32 und einen Endteil 33 ist zusätzlich innerhalb des Zylinderkopfes 16 positioniert. Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 28 ist im wesentlichen von herkömmlicher Konstruktion, wie beispielsweise die Bauart, die bei einem hydraulisch betätigten, elektronisch gesteuerten Einspritzeinheitssystem verwendet wird.
Die Brennstoffeinspritzvorrichtung 28 weist einen Körper 30 mit einer Längsachse 34, mit einem oberen Ende 36 und einem unteren Ende 38 auf. Ein elektronisch betätigter Elektromagnet 42 ist entfernbar am oberen Ende 36 angebracht. Eine Düsenanordnung 44 ist entfernbar am unteren Ende 38 angebracht.
Mit Bezug auf Fig. 2 weist die Düsenanordnung 32 einen Befestigungsteil 33 und eine Düsenspitze 60 auf. Der Befestigungsteil 33 ist ein im wesentlichen zylindrisches Glied mit einer Innenwand 48, mit einer Außenwand 50, mit einem ersten Ende 52 und einem zweiten Ende 56. Das erste Ende 52 ist im allgemeinen offen und dazu geeignet, um mit dem unteren Ende 38 des Einspritzvorrichtungskörpers 30 in Eingriff zukommen. Das zweite Ende 56 ist teilweise geschlossen und definiert eine Öffnung 58, die geeignet ist, um eine Düsenspitze 60 in herkömmlicher Weise aufzunehmen.
Die Düsenspitze 60 ist ein im wesentlichen zylindrisches Glied mit einem ersten Ende 62, mit einem zweiten Ende 64, mit einer Außenseite 66 und einer inneren Bohrung 68. Die innere Bohrung 68 erstreckt sich vom ersten Ende 62 zum zweiten Ende 64. Ein Sitz 69 ist innerhalb der Innenbohrung 68 definiert, vorzugsweise Nahe dem zweiten Ende 64. Die innere Bohrung 68 ist geeignet, um ein Nadelventil 70 aufzunehmen. Das Nadelventil 70 ist zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar. Das Nadelventil 70 weist einen Nadelsitz 71 auf, der geeignet ist, um mit dem Sitz in Eingriff zukommen, wenn er in der ersten Position ist. Die Außenfläche 66 definiert einen Schulterteil 72 beim ersten Ende 62 und einen Schaftteil 74, der zwischen dem Schulterteil 72 und dem zweiten Ende 64 angeordnet ist. Das zweite Ende 64 der Düsenspitze 60 weist den Endteil 76 mit einer Innenseite 78 und einer Außenseite 80 auf. Eine Vielzahl von Düsenöffnungen 86 erstreckt sich durch den Endteil 76 und öffnet sich bei der Innenseite 78 und der Außenseite 80. Die Düsenöffnungen 86 können um die Längsachse 34 herum angeordnet sein.
Mit Bezug auf Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Endteils 76 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Innenseite 78 und die Außenseite 80 bilden einen zylindrischen Teil 91, der um die Längsachse 34 der Brennstoffeinspritzvorrichtung 28 herum definiert ist. Der zylindrische Teil 91 weist den Endteil 76 auf und steht in Verbindung mit der inneren Bohrung 68 der Düsenspitze 60 gegenüberliegend zum Endteil 76. Der Endteil 76 bildet einen im wesentlichen großen Radius auf der Innenseite 78 und der Außenseite 80. Die Innenseite 78 und die Außenseite 80 sind um eine vorbestimmte Distanz voneinander beabstandet. Die Düsenöffnungen 86 können gleichmäßig um die Längsachse 34 herum angeordnet sein. Jede Düsenöffnung 86 weist eine Mittelachse 98 und eine Innenwand 100 auf. Ein Schnittpunkt 99 wird durch die Längsachse 34 und die Mittelachse 98 von jeder Düsenöffnung 90 gebildet. Ein Winkel α wird zwischen der Längsachse 34 und der Mittelachse 98 definiert. Der Winkel α liegt vorzugsweise zwischen 5 und 10 Grad. Die Düsenöffnungen 86 und sowohl die Innenfläche 78 als auch die Außenfläche 80 sind im wesentlichen senkrecht zueinander. Ein Radius (102) kann zusätzlich an dem Schnittpunkt der Düsenöffnung 86 und der Innenseite 78 ausgebildet sein.
Mit Bezug auf Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Endteils 76' gezeigt. Der Endteil 33' steht in Verbindung mit der inneren Bohrung 68 der Düsenspitze 60 gegenüberliegend zum Endteil 76'. Der Endteil 76' bildet einen großen Radius auf der Außenseite 80'. Ein konischer Teil 106 ist um die Längsachse 34 auf der Innenseite 78' definiert. Die Düsenöffnungen 86 sind um die Längsachse 34 herum angeordnet. Jede Düsenöffnung 86 weist eine Mittelachse 98 und eine Innenwand 100 auf. Die Mittelachse 98 von jeder Düsenöffnung 86 ist im wesentlichen senkrecht zum konischen Teil 106. Ein Schnittpunkt 99' wird durch die Längsachse 34 und die Mittelachse 98 von jeder Düsenöffnung 86 gebildet. Ein Winkel α' ist zwischen der Längsachse 34 und der Mittelachse 98 definiert. Der Winkel α' liegt vorzugsweise zwischen 5 und 10 Grad. Ein Winkel β ist zwischen der Längsachse 34 und dem konischen Teil 106 definiert. Ein Radius (102) kann zusätzlich am Schnittpunkt der Seitenwand 100 und der Innenseite 86' vorgesehen sein.

Industrielle Anwendbarkeit

Im Betrieb erleichtert eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 28 eine HCCI- Verbrennung durch Anweisung einer frühen Einspritzung von Brennstoff in die Zylinder 14 mit einem erwünschten Winkel und einem erwünschten Muster. Der Brennstoff wird in einer im wesentlichen nach unten gerichteten Richtung zum Kolben hin gesprüht, wenn sich der Kolben zum Zylinderkopf 16 hin bewegt. Die frühe Einspritzung gestattet eine bessere Durchmischung des Brennstoffes und der Luft wegen des größeren Vermischungsgebietes und der längeren Zeitdauer vor der Verbrennung. Die besser durchgemischte Mischung aus Brennstoff und Luft erleichtert die Verbrennung an mehreren Stellen im Zylinder 14 gleichzeitig, was eine vollständigere Verbrennung und eine Verringerung der NOx-Produktion zur Folge hat.
Die geometrische Auslegung des Endteils 92 und die Orientierung der Düsen 90 leitet eine Brennstoffversprühung im wesentlichen in Abwärtsrichtung und in einem geeigneten Muster an, was verhindert, dass Brennstoff an den Zylinderwänden hängt, und was die Vermischung von Luft und Brennstoff begünstigt. Zusätzlich verringert die Orientierung der Düsen 90 die Konzentration der Spannungen im Endteil 76', was die Ermüdungslebensdauer der Düsenspitze 60 verbessert.

Claims

1. Düsenspitze für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einer Längsachse, die Folgendes aufweist:
einen Endteil mit einer Innenseite und einer Außenseite; und
eine Vielzahl von Düsenöffnungen, die durch den Endteil hindurch angeordnet sind und sich an den Innen- und Außenflächen öffnen, wobei jede der Düsenöffnungen eine Mittelachse besitzt, wobei die Mittelachse der Öffnungen in einem Winkel zwischen 5 und 10 Grad mit Bezug auf die Längsachse liegt.

2. Düsenspitze nach Anspruch 1 wobei die Innenfläche im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse der Öffnungen ist.

3. Düsenspitze nach Anspruch 1, wobei die Mittelachsen der Düsenöffnungen und die Längsachse der Düsenspitze sich bei einer vorbestimmten ersten Distanz (d1) von der Innenseite schneiden, und an einer vorbestimmten zweiten Distanz (d2) von der Außenseite, wobei die vorbestimmte erste Distanz (d1) kleiner ist, als die vorbestimmte zweite Distanz (d2).

4. Düsenspitze nach Anspruch 1, wobei die Mittelachsen der Düsenöffnungen und die Längsachse der Düsenspitze sich bei einer ersten vorbestimmten Distanz (d1') von der Innenseite und bei einer zweiten vorbestimmten Distanz (d2') von der Außenseite schneiden, wobei die erste vorbestimmte Distanz (d1') größer ist als die zweite vorbestimmte Distanz (d2').

5. Düsenspitze nach Anspruch 1, wobei die Innenseite konisch ist.

6. Düsenspitze nach Anspruch 5, wobei die Innenseite in einem vorbestimmten Winkel (β) von zwischen 100 Grad und 110 Grad relativ zur Längsachse liegt.

7. Verbrennungsmotor mit einer Brennstoffeinspritzvorrichtung, wobei die Brennstoffeinspritzvorrichtung eine Längsachse und eine Düsenspitze besitzt, wobei die Düsenspitze folgendes aufweist:
einen Endteil mit einer Innenseite und einer Außenseite; und
eine Vielzahl von Düsenöffnungen, die durch den Endteil hindurch angeordnet sind, und sich bei der Innenseite und der Außenseite öffnen, wobei jede der Düsenöffnungen eine Mittelachse besitzt, wobei die Mittelachse der Öffnung in einem Winkel zwischen 5 und 10 Grad mit Bezug auf die Längsachse liegt.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei die Innenseite der Düsenspitze im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse der Öffnungen liegt.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei die Mittelachsen der Düsenöffnungen und die Längsachse der Düsenspitze sich auf einer ersten vorbestimmten Distanz (d1) von der Innenseite und auf einer zweiten vorbestimmten Distanz (d2) von der Außenseite schneiden, wobei die erste vorbestimmte Distanz (d1) kleiner ist als die zweite vorbestimmte Distanz (d2).

10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei die Mittelachsen der Düsenöffnungen und die Längsachse der Düsenspitze sich bei einer ersten vorbestimmten Distanz (d1') von der Innenseite und bei einer zweiten vorbestimmten Distanz (d2') von der Außenseite schneiden, wobei die erste vorbestimmte Distanz (d1') kleiner ist als die zweite vorbestimmte Distanz (d2').

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei die Innenseite konisch ist.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, wobei die Innenseite in einem Winkel (β) zwischen 100 Grad und 110 Grad bezüglich der Längsachse liegt.