DE19714796A1 - Procedure for igniting lean air/fuel mixture thinned with air or exhaust gas - Google Patents
Procedure for igniting lean air/fuel mixture thinned with air or exhaust gasInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entflammung sehr magerer Kraftstoff-Luft-Gemische bei Ottomotoren mit Fremdzündung mit Anreicherung des Gemischs mit Kraftstoff im Bereich der Zündelektroden und weiterhin verschiedene, zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen mit Funkenzündeinrichtungen und insbesondere Vorkammer-Funkenzündeinrich tungen, mit denen einerseits eine besonders weitgehende Gemischanreicherung an der Zündstelle, sowie andererseits eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Gemischzusammensetzung und Ho mogenisierung im Bereich des Zündfunkens erreicht wird.The invention relates to a method for igniting very lean fuel-air mixtures in spark ignition engines with enrichment of the mixture with fuel in the area the ignition electrodes and also various suitable ones for carrying out the method Devices with spark ignition devices and in particular prechamber spark ignition devices with which, on the one hand, a particularly extensive mixture enrichment at the ignition point, and on the other hand an improved reproducibility of the mixture composition and Ho mogenization in the area of ignition spark is achieved.
Zur Zündung eines weitgehend homogenen Gemischs mit sehr großer Verdünnung mit Luft und/ oder Abgas in Ottomotoren ist es beispielsweise aus DE-A 26 11 057 und DE-A 37 09 976 bekannt, Zusatzkraftstoff oder ein fettes Kraftstoff-Luft-Zusatzgemisch als sogenannte Schicht ladung in eine Vorkammer einzubringen. Diese Verfahren erfordern ein zusätzliches Kraftstoff zuführungssystem bzw. Gemischbildungssystem mit einer komplizierten Ventilsteuerung. Nach teilig an diesem Verfahren ist zudem die hohe thermische Belastung des mit der Vorkammer ver bundenen und über den Kammerdruck gesteuerten Ventils, da in der Vorkammer sehr hohe Tem peraturen auftreten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Vermischung des in die Vorkam mer eingegebenen Zusatzkraftstoffs bzw. Zusatzgemischs nur ungenügend und zu langsam statt findet, so daß es zu schwankenden Entflammungen und damit zu schwankenden Energieumsetzun gen im Hauptbrennraum kommt.For igniting a largely homogeneous mixture with very large dilution with air and / or exhaust gas in gasoline engines, for example from DE-A 26 11 057 and DE-A 37 09 976 known, additional fuel or a rich fuel-air mixture as a so-called layer load into an antechamber. These procedures require additional fuel Delivery system or mixture formation system with a complicated valve control. After Part of this process is also the high thermal load of the ver with the prechamber bound and controlled by the chamber pressure valve, because very high tem temperatures occur. Another disadvantage is that the mixing of the in the occurrence mer entered additional fuel or mixture only insufficiently and too slowly instead takes place so that there are fluctuating flames and thus fluctuating energy conversions comes in the main combustion chamber.
Ein weiteres Verfahren mit deutlich verbesserten Entflammungsbedingungen ist das Schichtladungs verfahren mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, wie es z. B. in DE-A 44 15 073 und EP-A 0 639 703 beschrieben ist. Um einen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch zu erzielen, wird bei diesem Ver fahren bei Betrieb des Motors im Teillastbereich, der gesamte Kraftstoff unmittelbar vor dem Zünd zeitpunkt so eingespritzt, daß sich zum Zeitpunkt der Zündung ein besonders gut zündfähiges Kraft stoff-Luft-Gemisch an der Zündstelle einstellt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß sich beson ders hohe NOx-Emissionen und HC-Emissionen ergeben, wobei beide Schadstoffe bisher nur unbefriedigend durch eine katalytische Abgasnachbehandlung vermindert werden können, da die bisher entwickelten Katalysatoren noch nicht wirksam genug sind (NOx) bzw. die Abgastempera turen zu niedrig sind (HC).Another method with significantly improved ignition conditions is stratified charge proceed with direct fuel injection, as it is e.g. B. in DE-A 44 15 073 and EP-A 0 639 703 is described. In order to achieve the lowest possible fuel consumption, this Ver drive when the engine is operating in the partial load range, all fuel immediately before ignition injected at the time so that there is a particularly well ignitable force at the time of ignition substance-air mixture at the ignition point. This method has the disadvantage that special result in high NOx emissions and HC emissions, with both pollutants so far only can be reduced unsatisfactorily by a catalytic exhaust gas aftertreatment, since the previously developed catalysts are not yet effective enough (NOx) or the exhaust gas temperature doors are too low (HC).
Durch eine frühe Direkteinspritzung der Hauptmenge des Kraftstoffs während des Ansaugvor gangs für die Verbrennungsluft, kann mit der Direkteinspritzung ein mageres und weitgehend homogenes Gemisch erzeugt werden. In Verbindung mit einer weiteren Kraftstoffeinspritzung während des Kompressionstaktes ist es möglich, zum Zündzeitpunkt an der Zündstelle ein sicher zündfähiges Gemisch zu erhalten. Wird dabei der Kraftstoffstrahl direkt auf die Zündkerze gerich tet, dann ergeben sich sehr hohe Anforderungen an das Einspritzsystem hinsichtlich Einspritzstrahl bild, Kraftstoffaufbereitung, Einspritzzeit und Einspritzdauer. Bisher kann eine Verschmutzung der Einspritzdüse und damit eine Änderung des Strahlbildes im Langzeitbetrieb nicht verhindert werden. Zudem besteht die Gefahr der Verrußung der Zündkerze. Ein weiterer Nachteil ist der, daß nach Funkenzündung der durch den Einspritzstrahl erzeugten "Gemischwolke" diese nur verzögert aus brennen kann, da eine Beschleunigung der Verbrennung innerhalb der Gemischwolke nur mit einer gesteigerten Ladungsturbulenz im Brennraum zu erreichen ist. Eine solche Maßnahme führt aber zu einer Verminderung der Gemischanreicherung im Zündfunkenbereich, die nur durch die Zufuhr einer erhöhten Kraftstoffmenge ausgeglichen werden kann. Das aber führt wiederum zu erhöhten NOx-Emissionen des Motors. By early direct injection of the bulk of the fuel during intake gangs for the combustion air, can be a lean and largely with the direct injection homogeneous mixture can be generated. In connection with another fuel injection during the compression stroke it is possible to be sure at the ignition point at the ignition point to obtain an ignitable mixture. If the fuel jet is directed directly onto the spark plug tet, then there are very high demands on the injection system with regard to the injection jet picture, fuel preparation, injection time and injection duration. So far, pollution of the Injection nozzle and thus a change in the spray pattern in long-term operation can not be prevented. There is also a risk of sooting the spark plug. Another disadvantage is that after Spark ignition of the "mixture cloud" generated by the injection jet only delays it can burn, since an acceleration of the combustion within the mixture cloud only with one increased charge turbulence in the combustion chamber can be achieved. However, such a measure leads to a reduction in the mixture enrichment in the spark area, which can only be achieved by adding a increased amount of fuel can be compensated. But this in turn leads to increased NOx emissions from the engine.
Zur Vermeidung dieser Probleme wurde in EP-A 0463 613 vorgeschlagen, den Kraftstoff auf eine der Zündstelle vorgelagerte halbkugelförmige Kolbenmulde zu spritzen und mit Hilfe der Ladungsbewegung ein Abdampfen des Kraftstoffs in Richtung auf eine Zündkerze zu bewirken, die in einer der halbkugelförmigen großen Mulde nachgeschalteten zweiten halbkugelförmigen, zur großen Mulde hin geöffneten kleinen Mulde zum Zündzeitpunkt eintaucht. Auch bei diesem Ver fahren wird zur Sicherstellung einer befriedigenden Entflammung eine größere Kraftstoffmenge benötigt, da nur ein geringer Teil des eingespritzten Kraftstoffs das engere Gebiet um die Zünd kerzenelektroden erreicht, so daß sich auch bei diesem Verfahren eine unbefriedigend hohe NOx-Emission des Motors ergibt. Zudem ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der nach der Zündung entstehenden Flammenfront wegen der geringen Ladungsbewegung sehr niedrig. Dadurch ergibt sich eine unbefriedigende Gemischaufbereitung an der Zündstelle mit der Gefahr der Rußbildung. Weiterhin besteht wegen der einseitig im Kolben des Motors angeordneten Kolbenmulden eine unsymmetrische mechanische und thermische Belastung des Kolbens.In order to avoid these problems, EP-A 0463 613 proposed that the fuel be used to inject a semi-spherical piston recess upstream of the ignition point and with the help of Charge movement to cause the fuel to evaporate toward a spark plug the second hemispherical, downstream of the large hemispherical trough, for immersed large trough open small trough at the time of ignition. Even with this ver will drive a larger amount of fuel to ensure a satisfactory ignition needed, since only a small part of the injected fuel covers the closer area around the ignition reached candle electrodes, so that even with this method, an unsatisfactorily high NOx emission from the engine results. In addition, the speed of propagation is that after ignition resulting flame front is very low due to the low charge movement. This gives there is an unsatisfactory mixture preparation at the ignition point with the risk of soot formation. Furthermore, there is a because of the piston recesses arranged on one side in the piston of the engine asymmetrical mechanical and thermal load on the piston.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren aufzuzei gen und zur Durchführung des Verfahrens geeignete Zündvorrichtungen zu schaffen, durch das bzw. durch die es möglich wird, eine besonders geringe Zusatzmenge an Kraftstoff zu verwenden und trotzdem eine sichere Zündung durch eine Gemischanreicherung an der Zündstelle sowie eine schnelle und gleichmäßige Verbrennung des gesamten im Brennraum befindlichen, im Mittel sehr mageren Gemischs, zu erreichen, wobei eine sehr gute Laufruhe und eine niedrige NOx-Emission des Motors erreicht wird. Zudem entsteht dabei eine für die katalytische Abgasnachbehandlung ausreichend hohe Abgastemperatur. Weitere Aufgaben sind: Die Verminderung der thermischen Belastung der Zündeinrichtung, eine einfache, kostengünstige und hinsichtlich Genauigkeitsanforde rungen robuste Steuerung der Kraftstoffzufuhr und des Zündwinkels sowie die Erzielung symmetri scher Zündungs- und Verbrennungsverhältnisse, was zur Verminderung der thermischen Belastung des Kolbens und der Klopfneigung eines Motors führt.In contrast, the object of the present invention is to record a method gene and to create suitable ignition devices for carrying out the method by or which makes it possible to use a particularly small amount of fuel and nevertheless a safe ignition by a mixture enrichment at the ignition point and a fast and even combustion of the entire combustion chamber, on average very much lean mixture, to achieve a very smooth running and a low NOx emission of the engine is reached. In addition, this creates a catalytic exhaust gas aftertreatment sufficiently high exhaust gas temperature. Other tasks are: The reduction of thermal Load the ignition device, a simple, inexpensive and in terms of accuracy requirements Robust control of the fuel supply and the ignition angle as well as the achievement symmetri shear ignition and combustion conditions, which reduces the thermal load of the piston and the tendency of a motor to knock.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist ein Verfahren zur Entflammung sehr magerer Kraftstoff-Luft-Ge mische mit Anreicherung des Gemischs mit Kraftstoff im Bereich der Zündelektroden. Das erfin dungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Funkenzündung vorgelager ten Prozeßstufe Zusatzkraftstoff auf die Oberfläche einer kleinen Kolbenmulde und deren Umge bung auf den Kolbenboden und/oder in Form von mit Kraftstoff angereichertem Gemisch in die Kolbenmulde oder in deren Umgebung transportiert bzw. gespritzt wird und nach mindestens teil weiser Verdampfung des noch wandangelagerten Kraftstoffs und weiterer Vermischung mit dem vorhandenen, mit Kraftstoff angereicherten Gemisch, nach Eintauchen einer Funkenzündeinrichtung mit Zündelektrode in die Kolbenmulde, gezündet wird.The solution to the problem is a method for igniting very lean fuel-air Ge mix with enrichment of the mixture with fuel in the area of the ignition electrodes. That invented The method according to the invention is characterized in that upstream of the spark ignition Process stage additional fuel on the surface of a small piston bowl and its vice Exercise on the piston crown and / or in the form of a fuel-enriched mixture in the Piston recess or in its vicinity is transported or sprayed and after at least part wise evaporation of the fuel still attached to the wall and further mixing with the existing, fuel-enriched mixture after immersion of a spark ignition device with an ignition electrode in the piston recess.
Die lokale Anreicherung des im Brennraum vorhandenen sehr mageren und weitgehend homoge nen Grundgemischs mit Kraftstoff wird entweder durch eine gezielte Steuerung der Saugrohrein spritzung (späte Einspritzung einer Teilmenge in das geöffnete Einlaßventil) oder durch Direktein spritzung einer kleinen Kraftstoffmenge in den Brennraum in Richtung auf die Kolbenmulde deut lich vor dem Zündzeitpunkt erzeugt. Während des weiteren Verdichtungsvorgangs verdampft der teilweise noch wandangelagerte Kraftstoff als Folge der heißen Kolbenoberfläche, wobei eine durch die Drucksteigerung im Brennraum erzeugte Strömung große Teile des in der Umgebung der Mulde befindlichen, mit Kraftstoff angereicherten Gemischs in die Kolbenmulde transportiert.The local enrichment of the very lean and largely homogeneous in the combustion chamber NEN basic mixture with fuel is either by targeted control of the intake manifold spraying (late injection of a partial quantity into the open inlet valve) or by direct injection injection of a small amount of fuel into the combustion chamber towards the piston bowl Lich generated before the ignition point. During the further compression process the evaporates partially still wall-mounted fuel as a result of the hot piston surface, one due to the increase in pressure in the combustion chamber, large parts of the air in the area of the bowl, fuel-enriched mixture is transported into the piston bowl.
Noch vor Erreichen des Zündzeitpunkts taucht eine Funkenzündeinrichtung in die Kolbenmulde ein, wobei zum Zündzeitpunkt im Bereich des Zündfunkens ein gegenüber dem sehr mageren Grundgemisch (mit z. B. 70% Luftüberschuß) ein deutlich mit Kraftstoff angereichertes Gemisch und damit besser zündfähiges Gemisch mit z. B. stöchiomtrischer Zusammensetzung an der Zünd stelle vorliegt. Durch die Zwischenspeicherung des Kraftstoffs in der Kolbenmulde und deren nähe rer Umgebung wird eine weitgehende Homogenisierung des Gemischs am Zündort erreicht. A spark ignition device dips into the piston recess before the ignition point is reached a, at the time of ignition in the area of the ignition spark compared to the very lean Basic mixture (with e.g. 70% excess air) a mixture significantly enriched with fuel and thus better ignitable mixture with z. B. stoichiometric composition at the ignition job available. By temporarily storing the fuel in the piston bowl and its proximity An extensive homogenization of the mixture at the ignition point is achieved in the environment.
Die Erfindung betrifft weiterhin verschiedene zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrich tungen mit Funkenzündeinrichtungen und insbesondere Vorkammer-Funkenzündeinrichtungen, mit denen einerseits eine besonders weitgehende Gemischanreicherung an der Zündstelle, sowie ande rerseits eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Gemischzusammensetzung und Homogenisierung im Bereich des Zündfunkens erreicht wird. Gleichzeitig kann durch die von der Vorkammer-Zünd einrichtung erzeugten Zündfackeln eine besonders schnelle und gleichmäßige Verbrennung des besonders mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs bei geringen Schadstoffemissionen erreicht werden.The invention further relates to various devices suitable for carrying out the method with spark ignition devices and in particular prechamber spark ignition devices, with on the one hand a particularly extensive mixture enrichment at the ignition point, and others on the other hand, an improved reproducibility of the mixture composition and homogenization is achieved in the area of the ignition spark. At the same time, by the prechamber ignition device created a particularly quick and even combustion of the ignition torches particularly lean fuel-air mixture can be achieved with low pollutant emissions.
Die Erfindung wird nachstehend näher unter Einschluß der anliegenden Unteransprüche erläutert.The invention is explained in more detail below, including the accompanying subclaims.
Die Vorteile des Verfahrens kommen besonders dann zur Geltung, wenn zur Erzeugung des mit Kraftstoff angereicherten Gemischs in der Kolbenmulde eine Kraftstoff-Direkteinspritzung verwen det wird, bei der ein schlanker Einspritzstrahl direkt auf die Kolbenmulde gerichtet ist.The advantages of the method come into play particularly when generating the Use a direct fuel injection in the fuel-enriched mixture in the piston recess is detected, in which a slim injection jet is directed directly at the piston bowl.
Ein zusätzlicher Vorteil hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Motorleistung ist dann gegeben, wenn die Direkteinspritzung gleichzeitig zur Erzeugung eines weitgehend homogenen Gemischs während des Ansaugtaktes des Motors verwendet wird, d. h. wenn die Einspritzanlage zur Erzeugung einer "frühen" und einer "späten" Einspritzung dient.An additional advantage in terms of fuel consumption and engine performance is given if the direct injection simultaneously to produce a largely homogeneous mixture the intake stroke of the engine is used, d. H. if the injection system to generate a "early" and a "late" injection is used.
Zur Funkenzündung des Gemischs in der Kolbenmulde kann neben einer üblichen Zündkerze mit mindestens einer fingerförmigen Masseelektrode auch eine Anordnung gewählt werden, bei der die Masseelektrode stiftförmig in den Kolben eingelassen ist. Bei der letztgenannten Variante ent fällt der die Verbrennung in der Anfangsphase störende Einfluß der Massenelektrode. Zur Zün dung kann selbstverständlich auch eine andere Funkenzündeinrichtung ohne störenden Einfluß der Masseelektrode eingesetzt werden, wie z. B. eine Gleitfunken-Zündeinrichtung, bei der der Zünd funken auf dem Keramik-Steinfuß der Zündkerze erzeugt wird.For spark ignition of the mixture in the piston bowl, you can use a conventional spark plug at least one finger-shaped ground electrode, an arrangement can also be selected in which the ground electrode is embedded in the piston in the form of a pin. In the latter variant ent the influence of the mass electrode that disrupts combustion in the initial phase falls. For ignition dung can of course also another spark ignition device without disruptive influence of Ground electrode are used, such as. B. a sliding spark ignition device, in which the ignition spark is generated on the ceramic stone base of the spark plug.
Besondere Vorteile hinsichtlich der Kraftstoffaufbereitung bei niedriger Temperatur der Kolben oberfläche und/des Kraftstoff-Luft-Gemischs ergeben sich dann, wenn zur Zündung eine Vorkam mer-Funkenzündeinrichtung verwendet wird. Hierbei befindet sich die Zündstelle innerhalb einer mit Spiel an die Kolbenmulde angepaßten, im wesentlichen zylindrischen Vorkammer. Beim Ein tauchen der Vorkammer in die Kolbenmulde entwickeln sich zwischen dieser und der Vorkammer-Außen wand sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Dadurch wird der evtl. auf der Oberfläche der Kolbenmulde vor dem Eintauchen der Vorkammer noch verbliebene Rest an flüssigem Kraft stoff abgetragen und zerstäubt.Special advantages in terms of fuel processing at low piston temperatures surface and / of the fuel-air mixture result when an occurrence occurs for ignition mer spark ignition device is used. Here, the ignition point is within one with play adapted to the piston bowl, essentially cylindrical prechamber. When on immersing the prechamber in the piston bowl develops between it and the outer chamber turned very high flow velocities. This will possibly be on the surface the remaining part of the liquid force remaining before the prechamber is immersed material removed and atomized.
Ein weiterer Vorteil der Vorkammer-Funkenzündeinrichtung ist der, daß nach Zündung des in der Kammer befindlichen Gemischs Zündfackelstrahlen erzeugt werden, die sich radial von der Vorkammer in den weiteren Brennraum hinein ausbreiten. Dieser Vorgang führt zu einer besonders gleichmäßigen und schnellen Verbrennung des restlichen sehr mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs und niedrigen NOx-Emissionen.Another advantage of the prechamber spark ignition device is that after ignition of the in the mixture located ignition flare rays are generated, which radially from the Spread the antechamber into the further combustion chamber. This process leads to a special one uniform and rapid combustion of the remaining very lean fuel-air mixture and low NOx emissions.
Besondere Vorteile ergeben sich dann, wenn die Vorkammer als Wirbelkammer ausgebildet ist, bei der das Gemisch vollständig oder zum größten Teil über tangential verlaufende Überströmka näle in die Wirbelkammer gelangt. Bei diesem für die Zündung eines homogenen Gemischs be kannten Verfahrens entsteht durch die in der Wirbelkammer um die Hauptachse rotierenden Strö mung eine Fliehkraft, die zu einer Gemischanreicherung mit Kraftstoff im Bereich der zur Innen wand der Wirbelkammer hin gerichteten Funkenzündstrecken führt.There are particular advantages if the antechamber is designed as a swirl chamber, in which the mixture is wholly or largely via tangential overflow channels into the swirl chamber. In this for the ignition of a homogeneous mixture be known process arises from the currents rotating around the main axis in the swirl chamber centrifugal force, which leads to a mixture enrichment with fuel in the area of the inside wall of the vortex chamber leads spark ignition sections.
Um den Anteil des aus der Kolbenmulde in die Wirbelkammer hinein geförderten, mit Kraftstoff angereicherten Gemischs zu erhöhen, sind im vorderen Bereich der Wirbelkammer an den Außen wänden Längsnuten angeordnet, die von der Stirnseite der Wirbelkammer bis zu den Überström kanälen reichen. Zusätzlich ist es sehr vorteilhaft, im zentralen stirnseitigen Bereich der Wirbel kammer eine Bohrung anzuordnen, über die das besonders mit Kraftstoff angereicherte Gemisch aus dem unteren Bereich der Kolbenmulde zentral in Richtung auf den Querschnitt mit den Zünd elektroden gelenkt wird. Durch beide Maßnahmen ist es möglich, die zur Ladungsschichtung im Bereich der Kolbenmulde notwendige Kraftstoffmenge gering zu halten.With the proportion of fuel pumped from the piston bowl into the swirl chamber enriched mixture are in the front area of the vortex chamber to the outside walls longitudinal grooves arranged from the front of the vortex chamber to the overflow channels are enough. In addition, it is very advantageous in the central front area of the vertebrae chamber to arrange a hole through which the fuel-enriched mixture from the lower area of the piston bowl centrally towards the cross-section with the igniters electrodes is steered. By both measures, it is possible to charge in the Keep the amount of fuel required in the area of the piston bowl low.
Als Folge der Wirbelströmung in der Wirbelkammer ergibt sich in dieser eine schnelle Energieum setzung. Dementsprechend werden Zündfackeln mit hoher Austrittsgeschwindigkeit erzeugt. Insge samt ist dadurch die Verträglichkeit gegenüber größeren Luftzahländerungen an der Zündstelle sehr gut. Auch bei großen Luftzahlen oder in Verbindung mit einer zusätzlichen Abgasrückführung ergibt sich eine besonders gute Gleichmäßigkeit bei der Energieumsetzung. Das gilt auch bei Verwendung eines extrem späten Zündzeitpunktes, der zur Erzeugung einer besonders hohen Abgastemperatur während des Warmlaufs notwendig sein kann, um ein besonders schnelles Anspringen des Katalysa tors nach dem Kaltstart zu erreichen.As a result of the vortex flow in the vortex chamber, there is a rapid energy transfer settlement. Accordingly, ignition torches are generated with a high exit speed. Total together with this, the compatibility with larger changes in the air ratio at the ignition point is very high Well. Even with large air ratios or in connection with an additional exhaust gas recirculation a particularly good uniformity in energy conversion. This also applies to use an extremely late ignition point, which is used to generate a particularly high exhaust gas temperature may be necessary during warm-up in order to start the catalytic converter particularly quickly to reach after the cold start.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele und wichtige Merkmale der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigen inThe following are exemplary embodiments and important features of the invention with reference to the drawing described. These show in
Fig. 1 eine Anordnung für die Zündung mit üblicher Funkenzündeinrichtung mit besonders langen Elektroden zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, Fig. 1 shows an arrangement for the ignition with conventional spark ignition device with a particularly long electrode at the time of fuel injection,
Fig. 2 die Anordnung für die Zündung mit üblicher Funkenzündeinrichtung mit besonders langen Elektroden nach Fig. 1 im oberen Totpunkt des Kolbens (OT) unmittelbar nach Einleitung der Zündung, Fig. 2 shows the arrangement for the ignition with conventional spark ignition device with a particularly long electrode of Fig. 1 in the piston top dead center (OT) immediately after the initiation of the ignition,
Fig. 3 eine Anordnung für die Zündung mit einem in der Kolbenmulde angeordneten Metallstift, der als Masseelektrode dient, Fig. 3 shows an arrangement for ignition with a piston bowl disposed in the metal pin, which serves as a ground electrode,
Fig. 4a eine Anordnung mit zylindrischer Vorkammer-Funkenzündeinrichtung mit Zündung im Zentralbereich der Vorkammer, FIG. 4a shows an arrangement with a cylindrical pre-chamber spark ignition device with ignition in the central area of the prechamber,
Fig. 4b einen Schnitt durch die Anordnung mit zylindrischer Vorkammer-Funkenzündeinrichtung mit Zündung im Zentralbereich der Vorkammer nach Fig. 4a, FIG. 4b shows a section through the arrangement of a cylindrical pre-chamber spark ignition device with ignition in the central area of the pre-chamber of FIG. 4a,
Fig. 5a eine Anordnung mit zylindrischer Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung mit Mehrfach zündung im Wandbereich der Wirbelkammer mit tangential verlaufenden Überströmkanälen, FIG. 5a, an arrangement with a cylindrical swirl chamber with spark ignition multiple of the vortex chamber ignition in the wall area with tangentially extending transfer ducts,
Fig. 5b einen Schnitt durch die Anordnung mit zylindrischer Wirbelkammer-Funkenzündeinrich tung mit Mehrfachzündung im Wandbereich der Wirbelkammer mit tangential verlaufenden Überströmkanälen nach 5a.5b shows a section through the arrangement with a cylindrical vortex chamber-Funkenzündeinrich device with multiple ignition in the wall region of the vortex chamber with tangential overflow channels according to FIG. 5a.
In Fig. 1 ist eine beispielhafte Anordnung für das Verfahren zur Entflammung sehr magerer Kraft stoff-Luft-Gemische dargestellt, bei der eine Funkenzündeinrichtung mit besonders langen Elek troden (1) verwendet wird, die im wesentlichen zentral zu einem durch den Zylinderkopf (2), den Kolben (3) und der Zylinderwand (4) gebildeten Brennraum des Motors angeordnet ist. Der Kol ben (3) ist in einer Stellung während des Kompressionsvorgangs gezeigt, in der der Kraftstoff von einer Einspritzdüse (5) im wesentlichen in Richtung auf die Kolbenmulde (6) gespritzt wird. Das kann z. B. je nach Brennverfahren, Ventilanordnung, Kraftstoffstrahlwinkel usw. bei einem Kurbel winkel des Motors zwischen 40 und 80° KWv OT sein und sich z. B. über 15° KW hinziehen.In Fig. 1 an exemplary arrangement for the method for igniting very lean fuel-air mixtures is shown, in which a spark ignition device with particularly long elec trodes ( 1 ) is used, which is essentially central to one through the cylinder head ( 2 ) , The piston ( 3 ) and the cylinder wall ( 4 ) formed combustion chamber of the engine is arranged. The Kol ben ( 3 ) is shown in a position during the compression process, in which the fuel is injected from an injection nozzle ( 5 ) substantially in the direction of the piston bowl ( 6 ). That can e.g. B. depending on the combustion process, valve arrangement, fuel jet angle, etc. at a crank angle of the engine between 40 and 80 ° KWv OT and z. B. pull over 15 ° KW.
Innerhalb der Grenzen des Kraftstoffstrahls ist die Kraftstoffdichteverteilung i.a. annähernd durch eine Normalverteilung (8) zu beschreiben, wobei besonders große Kraftstofftropfen sich im Kern bereich des Kraftstoffstrahls befinden. In Verbindung mit einer kurzen Einspritzdauer z. B. 0,5-1,0 ms läßt sich sicherstellen, daß bis in den Bereich hoher Drehzahlen hinein, der Kolben während des Einspritzvorgangs nur einen kleinen Hub durchläuft, so daß größte Anteile des Kraftstoffs innerhalb der Kolbenmulde oder in der unmittelbaren Umgebung der Mulde wandangelagert werden bzw. sich als mit Kraftstoff angereichertes Gemisch in der Kolbenmulde befinden oder der Kolben mulde vorgelagert werden.Within the limits of the fuel jet, the fuel density distribution is generally to be described approximately by a normal distribution ( 8 ), particularly large fuel drops being located in the core area of the fuel jet. In connection with a short injection duration z. B. 0.5-1.0 ms can be ensured that up to the high speed range, the piston passes through the injection process only a small stroke, so that most of the fuel within the piston bowl or in the immediate vicinity of the bowl be attached to the wall or are in the piston bowl as a fuel-enriched mixture or the piston bowl are stored in front.
Während des weiteren Kompressionsvorgangs, d. h. der weiteren Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Ge mischs im Brennraum, erwärmt sich der auf der Kolbenoberfläche in und außerhalb der Kolben mulde wandangelagerte Kraftstoff und verdampft. Zudem kommt es zu einer ausgeprägten Ladungs bewegung aus dem Hauptbrennraum heraus in Richtung auf den Muldenboden, wodurch die der Mulde vorgelagerten Kraftstoffanteile zum großen Teil ebenfalls in die Kolbenmulde transportiert werden.During the further compression process, i.e. H. the further compression of the fuel-air mixture mixes in the combustion chamber, it heats up on the piston surface inside and outside the piston trough wall-mounted fuel and evaporates. There is also a pronounced charge movement out of the main combustion chamber towards the bottom of the bowl, causing the The majority of the upstream fuel components are also transported into the piston recess will.
Um den Anteil des durch die Kraftstoffeinspritzung in die Kolbenmulde gelangenden Kraftstoffs zu erhöhen, kann die Kolbenmulde am oberen Rand in Einspritzrichtung des Kraftstoffs eine Abschrä gung (9) aufweisen.In order to increase the proportion of fuel entering the piston bowl through the fuel injection, the piston bowl can have a bevel ( 9 ) at the upper edge in the direction of injection of the fuel.
In Fig. 2 ist die Anordnung nach Fig. 1 im oberen Totpunkt (OT) des Kolbens unmittelbar nach Einleitung der Zündung dargestellt. Als Folge der schnellen Kolbenbewegung in Richtung auf den oberen Totpunkt des Kolbens (OT) unmittelbar vor der Zündung, kommt es in der Kolbenmulde zu einer intensiven Ladungsbewegung, wobei aber ein Stoffaustausch mit dem Hauptbrennraum weitgehend unterdrückt ist, so daß sich im Bereich der Zündelektroden zum Zündzeitpunkt ein vergleichsweises homogenes und gegenüber der Gemischzusammensetzung im Hauptbrennraum mit Kraftstoff angereichertes Gemisch gebildet hat. FIG. 2 shows the arrangement according to FIG. 1 at top dead center (TDC) of the piston immediately after the ignition has been initiated. As a result of the rapid piston movement in the direction of the top dead center of the piston (TDC) immediately before the ignition, there is an intensive charge movement in the piston recess, but a mass exchange with the main combustion chamber is largely suppressed, so that in the area of the ignition electrodes Ignition point has formed a comparatively homogeneous and fuel-enriched mixture compared to the mixture composition in the main combustion chamber.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten weiteren Beispiel dient ein zentral in der Kolbenmulde angeordneter Metallstift als Masseelektrode für die Funkenzündeinrichtung. Bei dieser Anordnung ergibt sich eine besonders geringe störende Wirkung der Elektroden auf die Flammenausbreitung. Die in der OT-Stellung des Kolbens gezeigte Anordnung führt entsprechend der Abhängigkeit des Zündwinkels vom Motor-Betriebspunkt zu einem veränderlichen und im Mittel besonders großen Elektrodenabstand. Durch die Wahl einer angepaßten Zündanlage mit hohem Spannungsangebot und geringer Nebenschlußempfindlichkeit werden besonders gute Zündeigenschaften erreicht.In the further example shown in FIG. 3, a metal pin arranged centrally in the piston recess serves as the ground electrode for the spark ignition device. With this arrangement, the electrodes have a particularly low disruptive effect on the flame propagation. The arrangement shown in the TDC position of the piston leads to a variable and, on average, particularly large electrode spacing, depending on the ignition angle as a function of the engine operating point. By choosing an adapted ignition system with a high voltage supply and low sensitivity to shunts, particularly good ignition properties are achieved.
In Fig. 4a ist der Schnitt durch eine Vorkammer-Funkenzündeinrichtung mit Zündung im Zentral bereich der Vorkammer in der OT-Stellung des Kolbens dargestellt. Hierbei wird beim Eindrin gen der zylindrischen Zündkammer in die Kolbenmulde, das in der Kolbenmulde und insbesonde re im Bodenbereich der Kolbenmulde befindliche, mit Kraftstoff angereicherte Gemisch durch die im Boden befindlichen Öffnungen (13) in die Vorkammer hineingedrückt und in den Bereich der Zündstelle (12) gelenkt. Ein evtl. noch an den Wänden der Kolbenmulde befindlicher flüssiger Kraftstoffanteil wird durch die große Strömungsgeschwindigkeit zwischen Vorkammer und Kol benmulde entfernt und zerstäubt, wobei dieses Gemisch dann entweder in die Zündkammer oder seitlich an der Zündkammer vorbeigelenkt wird. Danach erreicht ein Teil des seitlich entweichenden, mit Kraftstoff angereicherten Gemischs über die radialen Bohrungen der Zündkammer (14) noch die Vorkammer.In Fig. 4a the cut is indicated by a pre-chamber spark ignition device with ignition in the central area of the antechamber in the TDC position of the piston. When the cylindrical ignition chamber penetrates into the piston bowl, the fuel-enriched mixture in the piston bowl and in particular in the bottom area of the piston bowl is pressed through the openings ( 13 ) in the floor into the prechamber and into the area of the ignition point ( 12 ) directed. Any liquid fuel that may still be on the walls of the piston bowl is removed and atomized by the high flow velocity between the prechamber and the piston bowl, this mixture then being directed either into the ignition chamber or laterally past the ignition chamber. Then a part of the laterally escaping fuel-enriched mixture still reaches the prechamber via the radial bores of the ignition chamber ( 14 ).
Zur Verbesserung der Entflammung des Gemischs in der Vorkammer können die Zündelektroden (15, 16) im vorderen Bereich verdünnt sein und z. B. aus Edelmetall bestehen oder als Edelmetall beschichtete Elektroden ausgebildet sein.To improve the ignition of the mixture in the prechamber, the ignition electrodes ( 15 , 16 ) can be thinned in the front area and z. B. consist of precious metal or be designed as a noble metal coated electrodes.
Nach Einleitung der Zündung werden radial aus der Zündkammer über die Bohrung (14) austre tende Zündfackeln erzeugt, die eine schnelle und gleichmäßige Verbrennung des Gemischs im Hauptbrennraum bewirken. Gleichzeitig tritt zunächst unverbranntes und nachfolgend verbranntes, mit Kraftstoff angereichertes Gemisch über die im Bodenbereich der Zündkammer befindlichen Öffnungen (13) aus und preßt zunächst das unverbrannte und später das verbrannte Gemisch durch den Ringspalt zwischen Zündkammer und Kolbenmulde. Durch dieses Gemisch und das während des Verdichtungstaktes in der Umgebung der Vorkammer angesammelte, mit Kraftstoff angereicherte Gemisch sowie durch die große Ladungsbewegung ergibt sich in der weiteren Um gebung der Vorkammer eine intensive Verbrennung, die zusätzlich dazu beiträgt, eine sichere und gleichmäßige Entflammung des sehr mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs im weiteren Umfeld der Zündkammer zu erreichen.After the ignition has been initiated, ignition flares are produced radially from the ignition chamber via the bore ( 14 ), which cause the mixture in the main combustion chamber to be burned quickly and uniformly. At the same time, unburned and subsequently burned, fuel-enriched mixture emerges through the openings ( 13 ) in the base area of the ignition chamber and first presses the unburned and later the burned mixture through the annular gap between the ignition chamber and the piston recess. This mixture and the fuel-enriched mixture accumulated in the vicinity of the prechamber during the compression stroke, as well as the large charge movement, result in intensive combustion in the further environment of the prechamber, which also contributes to a safe and uniform ignition of the very lean To reach fuel-air mixture in the wider environment of the ignition chamber.
Die auf der Stirnseite der Zündkammer austretenden Verbrennungsgase bewirken auch bei nied rigen Kolbentemperaturen, wie sie z. B. während des Warmlaufs des Motors vorliegen, eine vollständige Verbrennung aller vor Einleitung der Zündung in der Kolbenmulde möglicherweise noch befindlichen flüssigen Kraftstoffreste. Gleichzeitig kommt es zu einer schnellen Erwärmung der Kolbenmulde, so daß sehr frühzeitig nach einem Kaltstart des Motors ein extrem magerer Motorbetrieb durchgeführt werden kann.The combustion gases escaping from the front of the ignition chamber also have an effect on low Rige piston temperatures, such as. B. during engine warm-up, one complete combustion of all possible before starting the ignition in the piston bowl liquid fuel residues still present. At the same time there is rapid warming the piston bowl, so that very early after a cold start of the engine an extremely lean Engine operation can be performed.
Fig. 4b zeigt einen Schnitt durch die Anordnung nach 4a in Höhe der radialen Bohrungen (14). Fig. 4b shows a section through the arrangement according to 4a at the level of the radial bores ( 14 ).
Fig. 5a zeigt eine weitere Variante einer Vorkammer-Funkenzündeinrichtung in Form einer Wir belkammer-Funkenzündeinrichtung, mit der durch die Erzeugung einer Drallströmung durch tan gential angeordnete Überströmkanäle (17) und Verwendung einer Mehrfach-Mittelelektroden einrichtung (18), mit der mehrere Zündfunkenstrecken (19) zur im wesentlichen zylindrischen Innenwand der Wirbelkammer (20) erzeugt werden, noch besonders magere Gemische sicher entflammt werden können. Damit ist es möglich, größere Schwankungen der Luftzahl an der Zündstelle, wie sie z. B. im Zusammenhang mit instationären Fahrzuständen auftreten können, sicher zu beherrschen. Fig. 5a shows a further variant of a prechamber spark ignition device in the form of a wirbelkammer spark ignition device with which by generating a swirl flow through tan gential arranged overflow channels ( 17 ) and use of a multiple center electrode device ( 18 ) with which several spark gaps ( 19 ) for the essentially cylindrical inner wall of the swirl chamber ( 20 ), particularly lean mixtures can be ignited safely. This makes it possible to make larger fluctuations in the air ratio at the ignition point, as z. B. may occur in connection with unsteady driving conditions to control safely.
Der Mechanismus der Wirbelkammerzündung wird u. a. in EP-A 0 675 272 beschrieben.The mechanism of the vortex chamber ignition is u. a. in EP-A 0 675 272.
Um einerseits eine besonders weitgehende Gemischanreicherung an der Zündstelle und anderer seits eine besonders gute Reproduzierbarkeit der Gemischzusammensetzung und Homogenisierung im Bereich des Zündfunkens zu erreichen- wird während des Eintauchens der Zündkammer in die Kolbenmulde zum einen durch eine zentrale Bohrung (21) aus dem Bodenbereich der Kolben mulde (22) mit Kraftstoff angereichertes Gemisch in den zentralen Bereich des Querschnitts im Bereich der Zündelektroden gelenkt. Zum anderen wird über die tangentialen Überströmkanäle (17) ebenfalls mit Kraftstoff angereichertes Gemisch aus dem Boden- und Seitenbereich der Kol benmulde tangential in die Wirbelkammer gelenkt, wobei dieses Gemisch um die Hauptachse der Wirbelkammer rotiert und den zentralen, durch die Eintrittsöffnungen (21) gebildeten Strahl umgibt. Damit ergibt sich im gesamten Querschnitt der Zündungsebene ein besonders gut mit Kraftstoff an gereichertes Gemisch.In order to achieve a particularly extensive mixture enrichment at the ignition point and on the other hand to achieve a particularly good reproducibility of the mixture composition and homogenization in the area of the ignition spark, the central chamber ( 21 ) from the bottom area of the pistons is used to immerse the ignition chamber in the piston recess well ( 22 ) fuel-enriched mixture directed into the central area of the cross section in the area of the ignition electrodes. On the other hand, via the tangential overflow channels ( 17 ), fuel-enriched mixture from the bottom and side region of the piston bowl is directed tangentially into the swirl chamber, this mixture rotating about the main axis of the swirl chamber and the central one, formed by the inlet openings ( 21 ) Beam surrounds. This results in a mixture that is particularly well enriched with fuel in the entire cross section of the ignition level.
Um das über die tangential angeordneten Überströmkanäle (17) strömende Gemisch in besonders hohem Maße mit Kraftstoff anzureichern, sind auf der Außenseite des unteren Bereichs der Wirbel kammer Nuten (23) angeordnet, die das angereicherte Gemisch aus dem Bodenbereich während des Eindringens der Zündkammer in die Kolbenmulde vor die Überströmkanäle (17) lenken.In order to enrich the mixture flowing over the tangentially arranged overflow channels ( 17 ) with fuel to a particularly large extent, grooves ( 23 ) are arranged on the outside of the lower region of the swirl chamber, which channels the enriched mixture from the bottom region during the penetration of the ignition chamber into the Steer the piston bowl in front of the overflow channels ( 17 ).
Fig. 5b zeigt einen Schnitt der Anordnung nach 5a in Höhe der tangentialen Überströmkanäle. FIG. 5b shows a section of the arrangement according to FIG. 5a at the level of the tangential overflow channels.
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