DE102009054177A1

DE102009054177A1 - Method for operating internal combustion engine, involves injecting fuel into combustion chamber of internal combustion engine, and supplying gas to combustion chamber

Info

Publication number: DE102009054177A1
Application number: DE102009054177A
Authority: DE
Inventors: Van-Khanh Tran
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Mwi Micro Wave Ignition Ag De
Priority date: 2009-11-21
Filing date: 2009-11-21
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2029-11-22
Also published as: DE102009054177B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine wird in einen Brennraum der Brennkraftmaschine ein Kraftstoff eingespritzt. Dem Brennraum wird ein Gas zugeführt. In dem Brennraum wird ein Gemisch aus dem Kraftstoff und dem Gas gezündet. Der Brennraum wird mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt. Vor der Zündung wird einmal oder mehrmals elektromagnetische Strahlung mit relativ hoher Energie derart in den Brennraum eingeleitet, dass über einen bestimmten Zeitraum lediglich die Temperatur im Wesentlichen innerhalb des gesamten Brennraums erhöht wird, bevor das Gemisch mittels der elektromagnetischen Strahlung gezündet wird.In a method for operating an internal combustion engine, a fuel is injected into a combustion chamber of the internal combustion engine. A gas is fed to the combustion chamber. A mixture of the fuel and the gas is ignited in the combustion chamber. The combustion chamber is exposed to electromagnetic radiation. Before ignition, electromagnetic radiation with relatively high energy is introduced into the combustion chamber one or more times in such a way that only the temperature is increased essentially within the entire combustion chamber over a certain period of time before the mixture is ignited by means of the electromagnetic radiation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, wobei in einen Brennraum der Brennkraftmaschine ein Kraftstoff eingespritzt wird, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine, wherein in a combustion chamber of the internal combustion engine, a fuel is injected, according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art. Furthermore, the invention relates to an apparatus for performing the method.

Bei den in derzeitigen Brennkraftmaschinen durchgeführten Verbrennungsverfahren wird der direkt in den Brennraum eingespritzte Kraftstoff mit einem Gas, vorzugsweise mit Luft, vermischt, und gegen Ende seiner Verdichtung d. h. nahe dem oberen Totpunkt (OT) durch den sich nach oben bewegenden Kolben mittels einer Zündkerze oder, wenn als Kraftstoff Diesel verwendet wird, mittels Selbstzündung durch eine entsprechend hohe Verdichtung gezündet. Ein insbesondere bei der Direkteinspritzung entstehendes Problem besteht darin, dass nur eine unzureichende Vermischung zwischen dem Kraftstoff und der Luft stattfindet, so dass kleine Kraftstofftröpfchen bis zu der Brennraumwand gelangen und sich dort niederschlagen können, wodurch sie bei der nachfolgenden Zündung nicht verbrannt werden. Die sich daraus ergebende unvollständige Verbrennung führt nicht nur zu einem Leistungsverlust, sondern auch zu erhöhten Abgasemissionen aufgrund der unverbrannten Kraftstoffbestandteile, was eine aufwändige Abgasreinigung erforderlich macht.In the combustion process carried out in current internal combustion engines, the fuel injected directly into the combustion chamber is mixed with a gas, preferably with air, and at the end of its compression d. H. near the top dead center (TDC) by the upwardly moving piston by means of a spark plug or, when used as a fuel diesel, ignited by means of auto-ignition by a correspondingly high compression. A particular problem with direct injection is that there is insufficient mixing between the fuel and the air, so that small droplets of fuel can reach the combustion chamber wall and precipitate there, thereby not being burned during subsequent ignition. The resulting incomplete combustion not only leads to a loss of power, but also to increased exhaust emissions due to the unburned fuel components, which requires a complex exhaust gas purification.

Um diese Nachteile zu beseitigen, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungsansätze bekannt, die unter anderem darin bestehen, elektromagnetische Strahlung in den Brennraum einzubringen.In order to eliminate these disadvantages, various approaches are known from the prior art, which include, inter alia, to introduce electromagnetic radiation into the combustion chamber.

So ist in der DE 103 56 916 B3 ein Verfahren zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoffs in einem Verbrennungsraum eines Motors beschrieben, bei welchem eine außerhalb des Verbrennungsraums erzeugte Mikrowellenstrahlung in den Verbrennungsraum eingekoppelt wird, welche von dem im Verbrennungsraum verteilten Kraftstoff absorbiert wird, was zu einem Energieeintrag in den Kraftstoff führt, der die Verbrennung großvolumig im Verbrennungsraum verteilen soll. Dieses Verfahren erfordert jedoch die Einbringung sehr hoher Energie in den Brennraum, was einen sehr großen Aufwand auf Seiten der Vorrichtung notwendig macht. Des weiteren gelingt es auch mit diesem Verfahren nicht, den in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff vollständig zu verbrennen.So is in the DE 103 56 916 B3 a method for igniting the combustion of a fuel in a combustion chamber of an engine is described in which a microwave radiation generated outside the combustion chamber is coupled into the combustion chamber, which is absorbed by the distributed fuel in the combustion chamber, resulting in an energy input into the fuel, the To distribute combustion large volume in the combustion chamber. However, this method requires the introduction of very high energy into the combustion chamber, which requires a great deal of effort on the part of the device. Furthermore, even with this method, it is not possible to completely burn the fuel injected into the combustion chamber.

Aus der US 6,782,875 B2 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, der unmittelbar nach seinem Eintritt in eine dem Brennraum vorgelagerte Vorkammer derart mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt wird, dass eine molekulare Schwingungsresonanzabsorption des eingespritzten Kraftstoffstrahls bewirkt wird. Es wird also unmittelbar der eingespritzte Kraftstoffstrahl erwärmt. Auch dieses Verfahren ist jedoch nicht in der Lage, prozesssicher eine Verbrennung der gesamten in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffmenge zu bewirken, da durch die unmittelbare Beaufschlagung des eingespritzten Kraftstoffstrahls mit elektromagnetischer Strahlung nicht verhindert werden kann, dass einzelne, nicht mit der eingeleiteten Luft vermischte oder nicht durch die elektromagnetische Strahlung verdampfte Kraftstofftröpfchen sich an der Brennraumwand niederschlagen können.From the US 6,782,875 B2 A method of operating an internal combustion engine is known, in which fuel is injected into the combustion chamber, which is acted upon immediately after its entry into a pre-combustion chamber upstream of the combustion chamber with such electromagnetic radiation that a molecular vibration resonance absorption of the injected fuel jet is effected. It is thus heated directly the injected fuel jet. However, this method is not able to process a reliable combustion of the entire injected into the combustion chamber fuel amount, as can not be prevented by the direct application of the injected fuel jet with electromagnetic radiation that individual, not mixed with the air introduced or not can be reflected by the electromagnetic radiation vaporized fuel droplets on the combustion chamber wall.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welchem der eingespritzte Kraftstoff möglichst vollständig verbrannt wird.It is therefore an object of the present invention to provide a method for operating an internal combustion engine, in which the injected fuel is burned as completely as possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention, this object is achieved by the features mentioned in claim 1.

Durch die in etwa gleichmäßige Erwärmung nahezu des gesamten Brennraums mit der elektromagnetischen Strahlung, zusätzlich zur Kompression, wird die Reaktionskinetik des Kraftstoff-Gas-Gemischs soweit beschleunigt, dass anschließend bestimmte, in dem Kraftstoff enthaltene Kohlenwasserstoffe mit geeigneten Frequenzen und Pulsfolgen anregbar sind, wodurch sich Eigenfrequenzen von polarähnlichen Molekülen ergeben, die das Aufbrechen bzw. Cracken der Kohlenwasserstoffe bzw. der Kohlenwasserstoffketten mit besonders geringen Anregungsleistungen ermöglicht. Die Anregungsleistungen der elektromagnetischen Strahlung für das Aufbrechen bzw. Cracken der Kohlenwasserstoffe bzw. der Kohlenwasserstoffketten sind dabei niedriger als diejenigen für die Erwärmung des Brennraums, und auch die Frequenzen bzw. Pulsfolgen sind andere. Dieses Cracken der Kohlenwasserstoffe wird in dem gesamten Brennraum umgesetzt und kann letztendlich die Verbrennungsreaktion auslösen. Da der genannte Vorgang aufgrund der Erwärmung im Wesentlichen des gesamten Brennraums an unterschiedlichen Orten innerhalb desselben stattfindet, ergibt sich eine Raumzündung des Kraftstoff-Gas-Gemischs und dadurch eine räumlich ausgerichtete Verbrennung, die auch diejenigen Kraftstoffbestandteile erfasst, die sehr weit von der Einspritzstelle oder dem Ort der Einleitung der elektromagnetischen Strahlung entfernt sind. Dadurch ergibt sich letztendlich eine näherungsweise vollständige Verbrennung des gesamten in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs und damit geringere Abgasemissionen. Insbesondere beim Kaltstart und während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine emissionsarme Verbrennung sehr vorteilhaft.Due to the approximately uniform heating of almost the entire combustion chamber with the electromagnetic radiation, in addition to the compression, the reaction kinetics of the fuel-gas mixture is accelerated so far that certain, contained in the fuel hydrocarbons can be excited with appropriate frequencies and pulse sequences, which is Natural frequencies of polar-like molecules result, which allows the breaking or cracking of hydrocarbons or hydrocarbon chains with particularly low excitation power. The excitation powers of the electromagnetic radiation for the breaking or cracking of the hydrocarbons or the hydrocarbon chains are lower than those for the heating of the combustion chamber, and also the frequencies or pulse sequences are different. This cracking of the hydrocarbons is reacted throughout the combustion chamber and may ultimately trigger the combustion reaction. Since the said operation takes place due to the heating of substantially the entire combustion chamber at different locations within the same, there is a space ignition of the fuel-gas mixture and thus a spatially oriented combustion, which also detects those fuel components that are very far from the injection point or Place of introduction of electromagnetic radiation are removed. This ultimately results in an approximately complete combustion of the entire injected into the combustion chamber fuel and thus lower exhaust emissions. In particular, during the cold start and during the warm-up phase of the internal combustion engine, the inventive method for a low-emission combustion is very advantageous.

Dabei wird bereits vor der Zündung der Prozess der Bildung des Kraftstoff-Gas-Gemischs durch zusätzlichen Wärmeeintrag gefördert und kinetische Zwischenreaktionen im gesamten Brennraum werden angeregt. Durch diese verbesserte Gemischbildung, die eine bessere Vermischung des Kraftstoffs mit dem eingeleiteten Gas, insbesondere der Luft, einschließt, ergeben sich erheblich feinere Kraftstofftröpfchen, die sich zudem mit einer sehr viel geringeren Wahrscheinlichkeit an einer der Brennraumwände ablagern. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen wird also nicht der eingespritzte Kraftstoff, sondern der gesamte Brennraum erwärmt. Besonders vorteilhaft ist zudem, dass das erfindungsgemäße Verfahren vollkommen unabhängig von der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum durchgeführt werden kann. In this case, the process of formation of the fuel-gas mixture is promoted by additional heat input before ignition and kinetic intermediate reactions in the entire combustion chamber are excited. This improved mixture formation, which includes a better mixing of the fuel with the introduced gas, in particular the air, resulting in significantly finer fuel droplets, which also deposit with a much lower probability at one of the combustion chamber walls. In contrast to known solutions so not the injected fuel, but the entire combustion chamber is heated. It is also particularly advantageous that the method according to the invention can be carried out completely independently of the injection of fuel into the combustion chamber.

Wenn in einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, dass der Brennraum vor der Zündung des Kraftstoff-Gas-Gemischs mittels der elektromagnetischen Strahlung derart aufgeheizt wird, dass das Kraftstoff-Gas-Gemisch eine Temperatur geringfügig unterhalb seiner Selbstzündungstemperatur aufweist, so ist vorteilhafterweise nur noch eine geringe Energie zur Zündung des Kraftstoff-Gas-Gemischs notwendig und die oben beschriebenen Reaktionen innerhalb des Kraftstoffs werden optimal ausgenutzt.If it is provided in a very advantageous development of the invention that the combustion chamber is heated prior to the ignition of the fuel-gas mixture by means of the electromagnetic radiation such that the fuel-gas mixture has a temperature slightly below its autoignition temperature, so is advantageously only still a small energy to ignite the fuel-gas mixture necessary and the reactions described above within the fuel are optimally utilized.

Zur Zündung des Kraftstoff-Gas-Gemischs kann einerseits vorgesehen sein, dass mittels der elektromagnetischen Strahlung die Temperatur innerhalb des Brennraums so lange erhöht wird, bis das Kraftstoff-Gas-Gemisch selbst zündet. In diesem Fall ist keine bestimmte Anregung mehr erforderlich, um das Kraftstoff-Gas-Gemisch zu zünden, wodurch gegebenenfalls ein und dieselbe Art von elektromagnetischer Strahlung für den gesamten Verbrennungsvorgang eingesetzt werden kann.For igniting the fuel-gas mixture, on the one hand, it may be provided that the temperature within the combustion chamber is increased by means of the electromagnetic radiation until the fuel-gas mixture itself ignites. In this case, no particular excitation is required to ignite the fuel-gas mixture, whereby possibly one and the same type of electromagnetic radiation can be used for the entire combustion process.

Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass nach einer bestimmten Zeitdauer durch Veränderung der Frequenz bzw. Pulsfolge der elektromagnetischen Strahlung das Kraftstoff-Gas-Gemisch gezündet wird. Im Falle einer solchen Fremdzündung ist die Zündung mittels der bereits zum Erwärmen des Brennraums eingesetzten elektromagnetischen Strahlung vorteilhaft, wozu lediglich die Frequenz bzw. Pulsfolge derselben verändert werden muss, um einen exakten Zündzeitpunkt festzulegen.Alternatively, it can be provided that after a certain period of time by changing the frequency or pulse sequence of the electromagnetic radiation, the fuel-gas mixture is ignited. In the case of such a spark ignition, the ignition by means of the electromagnetic radiation already used for heating the combustion chamber is advantageous, for which only the frequency or pulse sequence thereof must be changed in order to determine an exact ignition.

Eine Energieeinsparung verbunden mit einer sehr exakten Erwärmung des Brennraums ist möglich, wenn die elektromagnetische Strahlung mittels mehrerer einzelner Impulse in den Brennraum eingebracht wird.An energy saving associated with a very accurate heating of the combustion chamber is possible when the electromagnetic radiation is introduced by means of several individual pulses in the combustion chamber.

Wenn in einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass nach der Zündung des Kraftstoff-Gas-Gemischs mehrere Impulse der elektromagnetischen Strahlung in den Brennraum eingebracht werden, wobei sich die zeitlichen Abstände der einzelnen Impulse verlängern, so wird sichergestellt, dass der Verbrennungsvorgang innerhalb des Brennraums vollständig abgeschossen wird. Um zu verhindern, dass mittels der elektromagnetischen Strahlung der in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff und nicht der Brennraum selbst aufgeheizt wird, kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Beginn des Einbringens der elektromagnetischen Strahlung in den Brennraum zeitlich versetzt zu dem Beginn des Einspritzens des Kraftstoffs gewählt wird.If it is provided in a further very advantageous embodiment of the invention that several pulses of electromagnetic radiation are introduced into the combustion chamber after the ignition of the fuel-gas mixture, wherein the time intervals of the individual pulses extend, it is ensured that the combustion process is completely shot down within the combustion chamber. In order to prevent that by means of the electromagnetic radiation of the fuel injected into the combustion chamber and not the combustion chamber itself is heated, can be provided in an advantageous development of the invention that the beginning of the introduction of the electromagnetic radiation into the combustion chamber with a time offset to the beginning of the Injection of the fuel is selected.

Dieser Effekt der Unabhängigkeit des Einbringens der elektromagnetischen Strahlung von der Kraftstoffeinspritzung und damit des ausschließlichen Erwärmens des Brennraums kann noch verstärkt werden, wenn die elektromagnetische Strahlung in den Zeiträumen eingebracht wird, in denen kein Kraftstoff eingespritzt wird.This effect of the independence of the introduction of the electromagnetic radiation from the fuel injection and thus the exclusive heating of the combustion chamber can be enhanced if the electromagnetic radiation is introduced in the periods in which no fuel is injected.

Des weiteren kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass als elektromagnetische Strahlung Mikrowellenstrahlung verwendet wird. Hinsichtlich des beschriebenen Aufbrechens der Kohlenwasserstoffketten hat sich die Verwendung von Mikrowellenstrahlung als besonders vorteilhaft erwiesen.Furthermore, it can be provided in an advantageous embodiment of the invention that microwave radiation is used as the electromagnetic radiation. With regard to the described breaking up of the hydrocarbon chains, the use of microwave radiation has proved to be particularly advantageous.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrenes ergibt sich aus den Merkmalen von Anspruch 10. Durch die dabei vorgesehene gegenseitige Anordnung des Kraftstoffeinspritzventils und der Einrichtung zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung in einem Winkel von weniger als 30° kann eine direkte Beaufschlagung des eingespritzten Kraftstoffs durch die elektromagnetische Strahlung weitgehend verhindert und die gleichmäßige Aufheizung des Brennraums gewährleistet werden. Alternativ ist die Einrichtung zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung seitlich im Brennraum und schräg zum Kolbenboden angeordnet.An apparatus for carrying out the method results from the features of claim 10. By providing mutual arrangement of the fuel injection valve and the means for introducing the electromagnetic radiation at an angle of less than 30 °, a direct loading of the injected fuel by the electromagnetic radiation largely prevented and the uniform heating of the combustion chamber can be ensured. Alternatively, the device for introducing the electromagnetic radiation is arranged laterally in the combustion chamber and obliquely to the piston crown.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert.An embodiment of the invention is explained in more detail in the following description and drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine; 1 a device for carrying out the method according to the invention for operating an internal combustion engine;

2 einen Schnitt nach der Linie II-II aus 1; und 2 a section along the line II-II 1 ; and

3 ein Diagramm, das den zeitlichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt. 3 a diagram showing the timing of the method according to the invention.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Durchführung eines nachfolgend beschriebenen Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, von welcher lediglich ein Brennraum 2 sowie ein Teil eines Zylinderkopfs 3 dargestellt ist. 2 zeigt zudem einen Einlasskanal 4 und einen Auslasskanal 5 der Brennkraftmaschine sowie auf sehr schematische Weise jeweilige Einlassventile 6 und Auslassventile 7 derselben. Die Vorrichtung 1 weist ein Kraftstoffeinspritzventil 8 auf, welches zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum 2 der Brennkraftmaschine vorgesehen ist und sich im vorliegenden Fall direkt an den Brennraum 2 anschließt, um den Kraftstoff direkt in denselben einzuspritzen. Als Kraftstoff kann jede zur Verbrennung in der Brennkraftmaschine geeignete Kraftstoffart zum Einsatz kommen. Des weiteren weist die Vorrichtung 1 eine Einrichtung 9 zum Einbringen von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Mikrowellen, in den Brennraum 2 auf, die im vorliegenden Fall als ein in den Brennraum 2 ragender bzw. bündig mit demselben abschließender Wellenleiter 9a ausgebildet ist. Mit dem Wellenleiter 9a kann eine nicht dargestellte, jedoch an sich bekannte Einrichtung zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung verbunden sein, die gegebenenfalls auch zur Versorgung von mehreren, den jeweiligen Zylindern der Brennkraftmaschine zugeordneten Wellenleitern 9a dienen kann. Prinzipiell ist es auch möglich, für einen Zylinder mehrere Wellenleiter 9a vorzusehen, mit denen an unterschiedlichen Stellen die elektromagnetische Strahlung in den Brennraum 2 eingebracht werden kann. 1 shows a device 1 for carrying out a method described below for operating an internal combustion engine, of which only a combustion chamber 2 as well as a part of a cylinder head 3 is shown. 2 also shows an inlet channel 4 and an outlet channel 5 the internal combustion engine and in a very schematic manner respective intake valves 6 and exhaust valves 7 the same. The device 1 has a fuel injection valve 8th which is used to inject fuel into the combustion chamber 2 the internal combustion engine is provided and in the present case directly to the combustion chamber 2 connected to inject the fuel directly into the same. Any fuel suitable for combustion in the internal combustion engine can be used as the fuel. Furthermore, the device 1 An institution 9 for introducing electromagnetic radiation, in particular microwaves, into the combustion chamber 2 in the present case as one in the combustion chamber 2 projecting flush with the same terminating waveguide 9a is trained. With the waveguide 9a may be connected to a device, not shown, but known per se for generating the electromagnetic radiation, which optionally also for the supply of several, the respective cylinders of the internal combustion engine associated waveguides 9a can serve. In principle, it is also possible for a cylinder several waveguides 9a provide, with which at different locations the electromagnetic radiation into the combustion chamber 2 can be introduced.

Im vorliegenden Fall sind das Kraftstoffeinspritzventil 8 und die Einrichtung 9 zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung bzw. der Wellenleiter 9a der Einrichtung 9 im Wesentlichen nebeneinander und zentral im Brennraum 2 angeordnet. Da in bestimmten Fällen der Bauraum für die dargestellte Anordnung nicht ausreichend sein könnte, kann im Allgemeinen vorgesehen sein, dass das Kraftstoffeinspritzventil 8 und die Einrichtung 9 zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung bzw. der Wellenleiter 9a in einem Winkel von weniger als 30° zueinander angeordnet sind. Dieser Winkel bezieht sich jeweils auf die Längsachse des Kraftstoffeinspritzventils 8 bzw. des Wellenleiters 9a. Falls im Zentrum des Brennraums 2 nicht genügend Platz für das Kraftstoffeinspritzventil 8 und die Einrichtung 9 zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung bzw. den Wellenleiter 9a vorhanden sind, wird die Einrichtung 9 zum Einbringen der elektromagnetischen Strahlung bzw. der Wellenleiter 9a seitlich angebracht, wie in 2 strichliert rechts angedeutet. Die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 1 ist besonders gut zur Durchführung eines nachfolgend beschriebenen Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine geeignet, das nachfolgend beschriebene Verfahren könnte prinzipiell jedoch auch mit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Brennkraftmaschinen bzw. Vorrichtungen durchgeführt werden.In the present case, the fuel injection valve 8th and the device 9 for introducing the electromagnetic radiation or the waveguide 9a the device 9 essentially side by side and centrally in the combustion chamber 2 arranged. Since, in certain cases, the installation space for the arrangement shown could not be sufficient, it can generally be provided that the fuel injection valve 8th and the device 9 for introducing the electromagnetic radiation or the waveguide 9a are arranged at an angle of less than 30 ° to each other. This angle always refers to the longitudinal axis of the fuel injection valve 8th or the waveguide 9a , If in the center of the combustion chamber 2 not enough space for the fuel injector 8th and the device 9 for introducing the electromagnetic radiation or the waveguide 9a are present, the device will be 9 for introducing the electromagnetic radiation or the waveguide 9a attached laterally, as in 2 indicated by dashed lines on the right. The in the 1 and 2 illustrated device 1 is particularly well suited for carrying out a method for operating the internal combustion engine described below, but the method described below could, in principle, also be carried out with internal combustion engines or devices known from the general state of the art.

In dem Diagramm gemäß 3 ist ein Arbeitszyklus der als Viertakter ausgeprägten Brennkraftmaschine über einen Kurbelwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine von 720° dargestellt, wobei die nachfolgende Beschreibung des Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine mit dem Öffnen der Einlassventile 6 beim oberen Totpunkt des Gaswechsels, also beim Gaswechsel-OT (GOT), begonnen wird. In diesem Punkt sind sowohl die Einlassventile 6 als auch die Auslassventile 7 geringfügig geöffnet.In the diagram according to 3 is a duty cycle of the four-stroke engine expressed over a crank angle of a crankshaft of the internal combustion engine of 720 °, the following description of the method for operating the internal combustion engine with the opening of the intake valves 6 at the top dead center of the gas exchange, ie the gas exchange OT (GOT) is started. At this point are both the intake valves 6 as well as the exhaust valves 7 slightly open.

Die Öffnungskurve der Auslassventile 7 ist in 3 mit dem Bezugszeichen 7', die Öffnungskurve der Einlassventile 6 mit dem Bezugszeichen 6' bezeichnet. Des weiteren bedeuten AÖ den Zeitpunkt des Öffnens der Auslassventile 7, AS den Zeitpunkt des Schließens der Auslassventile 7, EÖ zeigt den Zeitpunkt des Öffnens der Einlassventile 6 und ES den Zeitpunkt des Schließens derselben. Nach dem Schließen der Auslassventile 7 wird in dem, gemäß der gestrichelten Linie 8 visualisierten, Einspritzbereich über das Kraftstoffeinspritzventil 8 einfach oder mehrfach Kraftstoff in den Brennraum 2 eingespritzt. Der Beginn der Linie 8' ist mit ESB für den frühestmöglichen Einspritzbeginn bezeichnet, das Ende der Linie 8' mit ESE für das spätestmögliche Einspritzende. Aus 3 geht des weiteren hervor, dass die Einspritzung des Kraftstoffs sowohl während der Ansaugphase als auch der Verdichtungsphase stattfindet.The opening curve of the exhaust valves 7 is in 3 with the reference number 7 ' , the opening curve of the intake valves 6 with the reference number 6 ' designated. Furthermore, AÖ mean the timing of the opening of the exhaust valves 7 , AS the timing of closing the exhaust valves 7 , EÖ shows the timing of opening the intake valves 6 and ES the time of closing them. After closing the exhaust valves 7 becomes in, according to the dashed line 8th visualized, injection area via the fuel injection valve 8th single or multiple fuel into the combustion chamber 2 injected. The beginning of the line 8th' is called ESB for the earliest possible start of injection, the end of the line 8th' with ESE for the latest possible injection end. Out 3 further, it can be seen that the injection of the fuel takes place during both the intake phase and the compression phase.

Mit einem zeitlichen Versatz t1 zum Einspritzbeginn wird über einen bestimmten Zeitraum, der in 3 mit dem Bezugszeichen 9' bezeichnet ist, eine elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Mikrowellen, mit relativ hoher Energie derart in den Brennraum 2 eingeleitet, dass lediglich die Temperatur im Wesentlichen innerhalb des gesamten Brennraums 2 erhöht wird. Mit anderen Worten, mittels der über den Wellenleiter 9a eingeleiteten elektromagnetischen Strahlung wird im wesentlichen der gesamte Brennraum 2 erwärmt. Vorzugsweise erfolgt die Aufheizung des Brennraums 2 vor der Zündung des Kraftstoff-Gas-Gemischs mittels der elektromagnetischen Strahlung derart, dass das Kraftstoff-Gas-Gemisch eine Temperatur geringfügig unterhalb seiner Selbstzündungstemperatur aufweist. Hierbei kann die sich durch die Verdichtung aufgrund des sich innerhalb des Brennraums 2 nach oben bewegenden, nicht dargestellten Kolbens ergebende Temperaturerhöhung mitberechnet werden, da sie die gewünschte Erhöhung der Temperatur innerhalb des Brennraums 2 unterstützt. Die Selbstzündungstemperatur kann je nach verwendetem Kraftstoff zwischen ca. 600°C und 900°C liegen, bei Benzin liegt sie beispielsweise bei ca. 700°C. Durch die Temperaturerhöhung in dem Brennraum 2 wird ein Anregen der in dem Kraftstoff enthaltenen Kohlenwasserstoffe mit den Frequenzen und Pulsfolgen der elektromagnetischen Strahlung erreicht, was ein Aufbrechen bzw. Cracken der Kohlenwasserstoffe bereits mit niedriger Energie und damit einer geringen Leistungsaufnahme seitens der Einrichtung 9 ermöglicht. Mit der in den Brennraum 2 eingebrachten elektromagnetischen Strahlung wird der in den Brennraum 2 eingespritzte Kraftstoff verdampft.With a time delay t1 at the start of injection is over a certain period, the in 3 with the reference number 9 ' is designated, an electromagnetic radiation, preferably microwaves, with relatively high energy such in the combustion chamber 2 introduced that only the temperature substantially within the entire combustion chamber 2 is increased. In other words, by means of the waveguide 9a introduced electromagnetic radiation is essentially the entire combustion chamber 2 heated. Preferably, the heating of the combustion chamber takes place 2 before the ignition of the fuel-gas mixture by means of the electromagnetic radiation such that the fuel-gas mixture has a temperature slightly below its autoignition temperature. This can be due to the compression due to the inside of the combustion chamber 2 Upwardly moving, not shown piston resulting temperature increase be taken into account, as they the desired increase in the temperature within the combustion chamber 2 supported. The auto-ignition temperature may vary depending on the fuel used between about 600 ° C and 900 ° C, with gasoline, it is for example at about 700 ° C. Due to the temperature increase in the combustion chamber 2 an excitation of the hydrocarbons contained in the fuel with the frequencies and pulse sequences of the electromagnetic radiation is achieved, which is a cracking or cracking of the hydrocarbons already with low energy and thus a low power consumption by the device 9 allows. With the in the combustion chamber 2 introduced electromagnetic radiation is in the combustion chamber 2 injected fuel evaporates.

Der Zeitversatz t1 zwischen der Einspritzung des Kraftstoffs und der Einbringung der elektromagnetischen Strahlung ist vorzugsweise wie dargestellt, d. h. dass zuerst der Kraftstoff eingespritzt wird und anschließend die elektromagnetische Strahlung eingebracht wird, es ist jedoch auch möglich, zunächst die elektromagnetische Strahlung einzubringen und anschließend Kraftstoff einzuspritzen, wodurch die Zeitverschiebung t1 negativ wäre. Prinzipiell ist es auch möglich, dass t1 = 0 ist, d. h. dass keine Zeitverschiebung vorliegt. Die elektromagnetische Strahlung kann in mehreren einzelnen Impulsen in den Brennraum 2 eingebracht werden, was insbesondere dann zu bevorzugen ist, wenn die elektromagnetische Strahlung in den Zeiträumen eingebracht wird, in denen kein Kraftstoff in den Brennraum 2 eingespritzt wird. Dies setzt voraus, dass die Einspritzung des Kraftstoffs mittels mehrerer einzelner Einspritzungen erfolgt, was bei Einspritzverfahren häufiger durchgeführt wird.The time offset t1 between the injection of the fuel and the introduction of the electromagnetic radiation is preferably as shown, ie that the fuel is injected first and then the electromagnetic radiation is introduced, but it is also possible first to introduce the electromagnetic radiation and then to inject fuel, whereby the time shift t1 would be negative. In principle, it is also possible that t1 = 0, ie that there is no time shift. The electromagnetic radiation can be in several single pulses into the combustion chamber 2 be introduced, which is particularly preferable when the electromagnetic radiation is introduced in the periods in which no fuel in the combustion chamber 2 is injected. This presupposes that the injection of the fuel takes place by means of a plurality of individual injections, which is carried out more frequently in injection methods.

Die Dauer des der mit der Linie 8' gekennzeichneten Einspritzvorgangs ist insbesondere von der an der Brennkraftmaschine anliegenden Last abhängig, wobei bei geringeren Lasten die Einspritzung üblicherweise über einen kürzeren Zeitraum erfolgt. Der Zeitpunkt, die Dauer und die Häufigkeit der mit der Linie 9' gekennzeichneten Einstrahlung der elektromagnetischen Wellen sind vom Kennfeld der Brennkraftmaschine, der Strategie bei der Gemischbildung und der Zündung bei dem entsprechenden Betriebspunkt innerhalb des Kennfelds abhängig.The duration of the with the line 8th' characterized injection operation is particularly dependent on the voltage applied to the engine load, with lower loads, the injection usually takes place over a shorter period. The time, duration and frequency of using the line 9 ' The irradiation of the electromagnetic waves is dependent on the characteristic map of the internal combustion engine, the strategy in the mixture formation and the ignition at the corresponding operating point within the characteristic map.

Zu dem mit ZOT bezeichneten oberen Totpunkt der Zündung bzw. Zünd-OT wird das Kraftstoff-Gas- bzw. Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches in dem Brennraum 2 durch die Einleitung von Gas, insbesondere von Luft, über den Einlasskanal 4 und die geöffneten Einlassventile 6 sowie durch die Einspritzung von Kraftstoff erzeugt wird, entzündet. Das Einbringen der elektromagnetischen Strahlung in den Brennraum 2 erfolgt also zeitlich erheblich vor der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Des weiteren ist in 3 erkennbar, dass das Einspritzende ESE um einen Zeitraum t2 vor dem Zündzeitpunkt liegt, d. h. dass die Einspritzung von Kraftstoff vor der Zündung beendet wird. Die Beendigung des Einspritzvorgangs zum Zeitpunkt ESE mit dem Abstand t2 vor dem Zünd-OT dient der Verbesserung der Bildung und insbesondere der Homogenisierung des Kraftstoff-Gas-Gemischs. Der Beginn der Zündung mittels der elektromagnetischen Strahlung kann auch vor dem Zünd-OT liegen, beispielsweise 5° Kurbelwinkel vor Zünd-OT.At the designated with ZOT top dead center of the ignition or ignition TDC is the fuel-gas or fuel-air mixture, which in the combustion chamber 2 by the introduction of gas, in particular air, via the inlet channel 4 and the opened intake valves 6 as well as by the injection of fuel is ignited. The introduction of the electromagnetic radiation into the combustion chamber 2 So takes place considerably in time before the ignition of the fuel-air mixture. Furthermore, in 3 it can be seen that the injection end ESE is ahead of the ignition point by a period t2, ie that the injection of fuel before the ignition is ended. The completion of the injection process at time ESE with the distance t2 before the ignition TDC serves to improve the formation and in particular the homogenization of the fuel-gas mixture. The beginning of the ignition by means of the electromagnetic radiation may also be before the ignition TDC, for example, 5 ° crank angle before ignition TDC.

Die Zündung des Kraftstoff-Gas-Gemischs kann derart erfolgen, dass mittels der elektromagnetischen Strahlung die Temperatur innerhalb des Brennraums 2 so lange erhöht wird, bis das Kraftstoff-Gas-Gemisch selbst zündet. Hierfür ist eine geeignete Steuerung oder Regelung sinnvoll, um eine Selbstzündung des Kraftstoff-Gas-Gemischs zum gewünschten Zeitpunkt zu erreichen. Die Selbstzündung ist dabei nicht auf Dieselkraftstoff beschränkt, sondern kann prinzipiell auch dann eingesetzt werden, wenn Benzin oder andere kohlenwasserstoffbasierte Kraftstoffe verwendet werden.The ignition of the fuel-gas mixture can be carried out such that by means of the electromagnetic radiation, the temperature within the combustion chamber 2 is increased until the fuel-gas mixture ignites itself. For this purpose, a suitable control or regulation makes sense to achieve auto-ignition of the fuel-gas mixture at the desired time. The auto-ignition is not limited to diesel fuel, but can in principle be used even if gasoline or other hydrocarbon-based fuels are used.

Alternativ zu der Selbstzündung kann durch Veränderung der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung das Kraftstoff-Gas-Gemisch gezündet werden, so dass eine Fremdzündung mit der elektromagnetischen Strahlung vorliegt. Vorzugsweise erfolgt diese Fremdzündung in Form von mehreren Pulsfolgen, d. h. mehreren Impulsen der elektromagnetischen Strahlung. In 3 ist dies mit der Linie 9'' dargestellt, die sowohl außerhalb (am Ende) als auch innerhalb (am Anfang) des Diagramms eingezeichnet ist. In beiden Fällen ergibt sich durch die oben beschriebene vorherige Aufheizung des Brennraums eine Raumzündung des Kraftstoff-Gas-Gemischs und damit eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs.As an alternative to auto-ignition, the fuel-gas mixture can be ignited by changing the frequency of the electromagnetic radiation, so that there is spark ignition with the electromagnetic radiation. Preferably, this spark ignition takes place in the form of a plurality of pulse trains, that is, a plurality of pulses of the electromagnetic radiation. In 3 this is with the line 9 '' represented both outside (at the end) and inside (at the beginning) of the diagram. In both cases results from the above-described previous heating of the combustion chamber, a space ignition of the fuel-gas mixture and thus a complete combustion of the fuel.

Während der Verbrennung, also nach der Zündung des Kraftstoff-Gas-Gemischs, können zusätzlich mehrere Impulse der elektromagnetischen Strahlung in den Brennraum 2 eingebracht werden, um sicherzustellen, dass die Verbrennung vollständig abschließt. Dabei kann die Zündung mit hohen Pulsfolgen, also geringen zeitlichen Abständen zwischen den einzelnen Impulsen, beginnen, und mit geringen Pulsfolgen, also einer Verlängerung der zeitlichen Abstände der einzelnen Impulse, enden. Prinzipiell ist dies auch bei der oben beschriebenen Selbstzündung möglich. Die Verbrennungsdauer, also die Dauer vom Anfang bis zum vollständigen Ende der Verbrennung des Kraftstoff-Gas-Gemischs innerhalb des Brennraums 2 ist mit der Linie 10 bezeichnet. Es ist zu erkennen, dass die Verbrennung nach dem Beginn des Zündbereichs 9'' beginnt und kurz vor dem Ende des Zündbereichs 9'' endet. Das Ende der Zünddauer kann auch pauschal zwischen 25 und 30° Kurbelwinkel nach ZOT festgelegt werden.During combustion, ie after the ignition of the fuel-gas mixture, in addition several pulses of electromagnetic radiation in the combustion chamber 2 be introduced to ensure that the combustion completes completely. In this case, the ignition with high pulse sequences, ie small time intervals between the individual pulses, begin, and with low pulse sequences, ie an extension of the time intervals of the individual pulses, end. In principle, this is also possible with the self-ignition described above. The duration of combustion, ie the duration from the beginning to the complete end of the combustion of the fuel-gas mixture within the combustion chamber 2 is with the line 10 designated. It can be seen that the combustion after the start of the ignition range 9 '' begins and just before the end of the ignition range 9 '' ends. The end of the ignition duration can also be fixed at a fixed rate between 25 and 30 ° crank angle after ZOT.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10356916 B3 [0004]
US 6782875 B2 [0005]

Claims

Method for operating an internal combustion engine, wherein a fuel is injected into a combustion chamber of the internal combustion engine, wherein a gas is supplied to the combustion chamber, wherein in the combustion chamber, a mixture of the fuel and the gas is ignited, and wherein the combustion chamber is acted upon by electromagnetic radiation, characterized in that prior to the ignition one or more times electromagnetic radiation with relatively high energy such in the combustion chamber ( 2 ) is introduced, that over a certain period only the temperature substantially within the entire combustion chamber ( 2 ) is increased before the mixture is ignited by the electromagnetic radiation.

Method according to claim 1, characterized in that the combustion chamber ( 2 ) is heated prior to the ignition of the fuel-gas mixture by means of the electromagnetic radiation such that the fuel-gas mixture has a temperature slightly below its autoignition temperature.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that by means of the electromagnetic radiation, the temperature within the combustion chamber ( 2 ) is increased until the fuel-gas mixture ignites itself.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that after a certain period of time by changing the frequency and / or pulse sequence of the electromagnetic radiation, the fuel-gas mixture is ignited.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electromagnetic radiation by means of a plurality of individual pulses in the combustion chamber ( 2 ) is introduced.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that after the ignition of the fuel-gas mixture, a plurality of pulses of the electromagnetic radiation in the combustion chamber ( 2 ) are introduced, whereby the time intervals of the individual pulses extend.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the beginning of the introduction of the electromagnetic radiation into the combustion chamber ( 2 ) is timed offset to the beginning of injection of the fuel.

A method according to claim 7, characterized in that the electromagnetic radiation is introduced in time before, during and / or after periods in which fuel is injected.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that microwave radiation is used as electromagnetic radiation.

Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 9, with a fuel injection valve and with a device for introducing the electromagnetic radiation, characterized in that the fuel injection valve ( 8th ) and the facility ( 9 . 9a ) are arranged for introducing the electromagnetic radiation at an angle of less than 30 ° to each other.