DE4140962A1

DE4140962A1 - Verfahren und vorrichtung zur einblasung eines brennstoff-luft-gemisches

Info

Publication number: DE4140962A1
Application number: DE19914140962
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Dr Herden; Dieter Volz; Matthias Dipl Ing Kuessell; Gerhard Dipl Phys Ziegler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 1993-01-21

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches nach der Gattung des Anspruches 1 bzw. von einer Vorrichtung zur Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches nach der Gattung der Ansprüche 8 oder 9. Aus der DE 39 20 089 A1 ist bereits ein Verfahren zur Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches bekannt, bei der das Brennstoff-Luft-Gemisch mit einem während der Einblasphase konstanten Brennstoff-Luft-Verhältnis L direkt in ei nen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brenn kraftmaschine eingeblasen wird. Bei einer auf diese Weise mit einem Brennstoff-Luft-Gemisch versorgten Brennkraftmaschine besteht die Gefahr, daß ein stabiler Betrieb der Brennkraftmaschine in allen ihren Betriebspunkten ohne die Gefahr von Aussetzern der Brennkraft maschine nicht immer zu erreichen ist. Ursache hierfür ist die schlechte Gemischbildung in dem Brennraum der luftansaugenden Brenn kraftmaschine, die die Bildung eines stabilen Flammkerns zur Ent flammung des gesamten in dem Brennraum der Brennkraftmaschine vor handenen Brennstoff-Luft-Gemisches in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine nicht zuverlässig gewährleistet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einblasung eines Brenn stoff-Luft-Gemisches mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru ches 1 bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches mit den kennzeichnenden Merkmalen der An sprüche 8 oder 9 haben demgegenüber den Vorteil, die Bildung eines besonders stabilen, von Zyklus zu Zyklus reproduzierbaren Flammkerns zu gewährleisten, der eine sichere Entflammung des gesamten in dem Brennraum der Brennkraftmaschine befindlichen Brennstoff-Luft-Gemi sches und damit einen aussetzerfreien Betrieb der Brennkraftmaschine in allen ihren Betriebspunkten sicherstellt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 ange gebenen Verfahrens möglich.

Für eine besonders stabile Ausbildung des Flammkerns ist es von Vor teil, wenn die Einblasphase an einem Einblasende nahe des Zündzeit punktes des in dem Brennraum der Brennkraftmaschine befindlichen Brennstoff-Luft-Gemisches endet.

Aus dem gleichen Grund ist es besonders vorteilhaft, wenn das nahe des Zündzeitpunktes, vorzugsweise unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt an dem Einblasende eingeblasene Brennstoff-Luft-Gemisch ein Brenn stoff-Luft-Verhältnis λ von 0,8 bis 1,2 aufweist.

Vorteilhaft ist es, wenn die während einer Einblasphase abgegebene Luftmenge konstant gehalten und die abgegebene Brennstoffmenge variiert wird. So ist das erfindungsgemäße Verfahren auf einfache und kostengünstige Art und Weise durchführbar.

Zeichnung

Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens so wie Ausführungsbeispiele des Verfahrens sind in der Zeichnung ver einfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt einer Brennkraft maschine mit einer Vorrichtung zur Einblasung eines Brenn stoff-Luft-Gemisches, Fig. 2 die Vorrichtung zur Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches nach Fig. 1, Fig. 3 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Kurbelwellenwinkel und Brennstoff-Luft-Verhältnis auf zeigenden Diagramm, Fig. 4 und Fig. 5 jeweils eine weitere Vorrichtung zur Einblasung eines Brenn stoff-Luft-Gemisches.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist beispielhaft und teilweise eine gemischverdich tende, fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine dargestellt, deren Brennraum 1 von einem Zylinderkopf 2 und einem in einer Zylin derbohrung 3 eines Motorblocks 4 der Brennkraftmaschine geführten Kolben 5 begrenzt wird. Der Kolben 5 führt im Betrieb der Brenn kraftmaschine in der Zylinderbohrung 3 eine Auf- und Ab-Bewegung aus und ist über eine Pleuelstange 6 mit einer nicht dargestellten Kur belwelle verbunden. An dem Umfang des Kolbens 5 sind Kolbendicht ringe 10 vorgesehen, die zur Abdichtung des Brennraumes 1 dienen und dicht an der Wandung der Zylinderbohrung 3 anliegen. In dem Zylin derkopf 2 ist eine Zündkerze 7 angeordnet, deren zueinander beab standete Elektroden 8, 9 in den Brennraum 1 hineinragen. Beispiels weise senkrecht zu einer Längsachse 11 der Zündkerze 7 ist in dem Zylinderkopf 2 eine Vorrichtung 13 zur Einblasung eines Brenn stoff-Luft-Gemisches angeordnet. In dem Zylinderkopf 2 sind z. B. ein als Einlaßorgan dienendes Einlaßventil 15 und ein als Auslaßorgan dienendes Auslaßventil 17 zur Steuerung des Gaswechsels der Brenn kraftmaschine vorgesehen. Es ist auch möglich, daß die Brennkraft maschine als schlitzgesteuerte 2-Takt-Brennkraftmaschine mit Einlaß schlitzen und Auslaßschlitzen ausgebildet ist.

Die Vorrichtung 13 zur Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches, die in der Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, weist ein elektro magnetisch betätigbares Nadelventil 21 auf, das in dem dargestellten Betriebszustand gerade geöffnet ist. In diesem Öffnungszustand wird ein Gemisch aus Luft und Brennstoff an einer Düsenöffnung 23 der Vorrichtung 13 in Richtung der Elektroden 8, 9 der Zündkerze 7 in den Brennraum 1 eingeblasen. Das dargestellte Nadelventil 21 besteht aus einer in einer Düsenbohrung 51 eines Düsenkörpers 50 angeordne ten Ventilnadel 25, die entgegen der Federkraft einer z. B. teller förmigen Rückstellfeder 27 von ihrem sich in Gemischströmungsrich tung beispielsweise kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitz 28 durch Erregung einer Magnetspule 29 abgehoben werden kann. Die Magnetspule 29 wird z. B. mittels eines elektronischen Steuergerätes 31 betätigt. Die Steuerung der Magnetspule 29, des Nadelventils 21 und damit der Vorrichtung 13 zur Einblasung eines Brenn stoff-Luft-Gemisches erfolgt in bekannter Weise in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine.

Die Vorrichtung 13 ist mittels einer Druckluftleitung 33 mit einem Drucklufterzeuger 35 verbunden. Ein in der Druckluftleitung 33 zwi schen dem Drucklufterzeuger 35 und der Vorrichtung 13 angeordneter Druckluftregler 37 dient dazu, den Druck der Luft in der Druckluft leitung 33 konstant zu halten. Der Druckluftregler 37 kann aber auch derart ausgeführt sein, daß der Druck in der Druckluftleitung 33 in einer bestimmten Art und Weise geregelt wird.

An der Vorrichtung 13 zur Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches ist z. B. senkrecht zu einer Längsachse 39 des Nadelventils 21 ein beispielsweise elektromagnetisch betätigbares Brennstoffzumeßventil 41 bekannter Bauart angeordnet. Der Brennstoff wird unter Druck aus einem Brennstoffvorratsbehälter 43 über eine Brennstoffleitung 45 dem Brennstoffzumeßventil 41 zugeführt und gelangt von diesem durch ein Gehäusebauteil 49 und die sich beispielsweise in Richtung der Längsachse 39 erstreckende Düsenbohrung 51 des Düsenkörper 50 in ei nen zwischen dem Umfang der Ventilnadel 25 und der Wandung der Dü senbohrung 51 gebildeten Ringraum 52. Mit Rücklaufleitung 47 ist eine das Brennstoffzumeßventil 41 mit dem Brennstoffvorratsbehälter 43 verbindende Leitung zur Rückführung überschüssigen Brennstoffs bezeichnet. Die Betätigung des Brennstoffzumeßventils 41 und damit die Steuerung der Brennstoffzufuhr der Vorrichtung 13 erfolgt z. B. mittels des Steuergerätes 31 in Abhängigkeit von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das Steuergerät 31 bestimmt beispielsweise ebenfalls den Zündzeitpunkt der Zündkerze 7.

Die Einblasung des Brennstoff-Luft-Gemisches mittels der Vorrichtung 13 beginnt beispielsweise bei geschlossenem Einlaßventil 15 und Aus laßventil 17 im Verdichtungshub des Kolbens 5 bei einem Einblas beginn EB. Der Einblasbeginn EB kann aber auch bei noch geöffneten Ventilen 15, 17 oder bei schlitzgesteuerten 2-Takt-Brennkraftmaschi nen auch im Überschneidungsbereich der Einlaß- und der Auslaß schlitze liegen, wobei gewährleistet sein muß, daß kein Brenn stoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum 1 austritt. Nach dem Einblasbe ginn wird zunächst das für die Verbrennung der gesamten Füllung des Brennraums 1 der luftansaugenden Brennkraftmaschine erforderliche Brennstoff-Luft-Gemisch mit einem niedrigen Brennstoff-Luft-Verhält nis λ, also ein fettes Gemisch bis nahezu reiner Brennstoff einge blasen, wobei das Brennstoff-Luft-Verhältnis auch von dem Lastz ustand der Brennkraftmaschine abhängt.

Dieses brennstoffreiche, aber sauerstoffarme Gemisch hat jedoch den Nachteil einer schlechten Zündfähigkeit. Für die Bildung eines sta bilen Flammkerns, der eine ununterbrochene Entflammung des gesamten im Brennraum 1 befindlichen Brennstoff-Luft-Gemisches ermöglicht und so einen aussetzerfreien Lauf der Brennkraftmaschine gewährleistet, ist es aber erforderlich, daß das im Augenblick der Fremdzündung sich im Brennraum befindende Brennstoff-Luft-Gemisch zumindest im Bereich der Elektroden 8, 9 der Zündkerze 7 ein Brennstoff-Luft-Ver hältnis λ aufweist, das zwischen 0,8 und 1,2 liegt, vorzugsweise etwa 1,0 beträgt.

Aus diesem Grund wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ein blasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches durch die Vorrichtung 13 beispielsweise kurz vor dem Zündzeitpunkt der Zündkerze 7 an einem Einblasende EE ein Gemisch eingeblasen, dessen Brennstoff-Luft-Ver hältnis λ 0,8 bis 1,2, z. B. etwa 1,0 beträgt. Das Brenn stoff-Luft-Gemisch durchströmt dabei auch den Freiraum zwischen den beiden Elektroden 8 und 9 der Zündkerze 7. In diesem Moment wird durch das Steuergerät 31 eine Zündspannung auf die Zündkerze 7 über tragen, so daß in dem Freiraum ein Zündfunke zwischen den beiden Elektroden 8, 9 überspringt. Dadurch wird in diesem Bereich ein Plasma erzeugt, aus dem ein sich in Längsrichtung des Nadelventils 21 ausbreitender Flammkern entsteht.

In dem Diagramm nach der Fig. 3 sind vier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Über den Kurbelwellenwin kel (°KW) sind die Brennstoff-Luft-Verhältnisse λ für die verschie denen Ausführungsbeispiele aufgetragen. Bei dem durch die Kurve A dargestellten Verfahren ist das Brennstoff-Luft-Verhältnis nach Be ginn der Einblasung (EB) zunächst konstant und weist einen relativ niedrigem Wert um 0,1 auf, so daß eine große Brennstoffmenge zur Verbrennung der gesamten Füllung des Brennraums 1 der Brennkraft maschine zugeführt wird. Beim Überschreiten eines bestimmten Kurbel wellenwinkels steigt das Brennstoff-Luft-Verhältnis λ z. B. linear an, bis kurz vor dem Einblasende EE des Gemisches in den Brennraum 1 das Brennstoff-Luft-Verhältnis λ etwa 1,0 beträgt und das Brenn stoff-Luft-Verhältnis nun bis zum Einblasende EE der Vorrichtung 13 konstant gehalten wird.

Die Kurven B und C der Fig. 3 zeigen Verläufe des Brenn stoff-Luft-Verhältnisses λ, die der stufenweisen Erhöhung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses gemäß der Kurve A ähnlich sind. Im Ge gensatz zu dieser Kurve A steigt aber das Brennstoff-Luft-Verhältnis λ bei den Verfahren gemäß der Kurven B und C kontinuierlich an, und zwar nach dem Einblasbeginn EB des Brennstoff-Luft-Gemisches zu nächst progressiv und zum Einblasende EE hin degressiv, bis das Brennstoff-Luft-Verhältnis λ z. B. etwa 1,0 beträgt. Das Brenn stoff-Luft-Verhältnis λ nach der Kurve B ist bei Einblasbeginn EB in den Brennraum 1 der Brennkraftmaschine z. B. extrem klein und geht gegen Null, es wird also nahezu reiner Brennstoff eingeblasen.

Das Verfahren nach der Kurve D in Fig. 3 zur Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches weist nach seinem Einblasbeginn EB aus gehend von einem relativ niedrigen Brennstoff-Luft-Verhältnis λ von etwa 0,1 zum Einblasende EE hin einen progressiven Anstieg des Brennstoff-Luft-Verhältnisses λ bis auf einen Wert von etwa 1,0 auf.

Durch die kurz vor dem Zündzeitpunkt der Fremdzündung stattfindende Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches, die an ihrem Einblasende ein Brennstoff-Luft-Verhältnis λ aufweist, daß zwischen 0,8 und 1,2 beträgt, wird eine relativ geringe Menge eines weitgehend homogenen, zündwilligen Brennstoff-Luft-Gemisches in den Bereich der Funken strecke der zueinander beabstandeten Elektroden 8, 9 der Zündkerze 7 geblasen. Dadurch ergibt sich eine reproduzierbare Auslenkung des Zündfunkens in Form einer sichelförmigen Glimmentladung, in deren Scheitel die Bildung des Flammkerns beginnt. Erreicht der Flammkern ein gewisses Volumen, daß etwa 1 Kubikzentimeter beträgt, so ist seine Stabilität und damit die Entflammung der Füllung des Brenn raums 1 gewährleistet, da dann das Verhältnis zwischen der in seinem Volumen freigesetzten Energie und der an der Oberfläche abgegebenen Energie ausreichend groß geworden ist.

Das Brennstoff-Luft-Verhältnis des durch die Vorrichtung 13 in den Brennraum 1 der Brennkraftmaschine eingeblasenen Gemisches läßt sich dabei besonders einfach erhöhen, indem ausgehend von einem konstan ten Luftstrom die Menge des durch das Brennstoffzumeßventil 41 zuge messenen Brennstoffs mittels einer Steuerung durch das Steuergerät 31 reduziert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Einblasung eines Brenn stoff-Luft-Gemisches in den Brennraum 1 einer Brennkraftmaschine, bei dem während einer Einblasphase des Gemisches in den Brennraum 1 das Brennstoff-Luft-Verhältnis λ des eingeblasenen Brenn stoff-Luft-Gemisches zum Einblasende hin erhöht wird, gewährleistet die Bildung eines besonders stabilen, von Zyklus zu Zyklus reprodu zierbaren Flammkerns, der eine sichere Entflammung des gesamten in dem Brennraum der Brennkraftmaschine befindlichen Brenn stoff-Luft-Gemisches und damit einen aussetzerfreien Betrieb der Brennkraftmaschine in allen ihren Betriebspunkten sicherstellt.

In den Fig. 4 und 5 sind zwei weitere Vorrichtungen zur Einbla sung eines Brennstoff-Luft-Gemisches dargestellt, in denen gleiche und gleichwirkende Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekenn zeichnet sind wie in den Fig. 1 und 2. Die Vorrichtungen 13 mit ihrem Nadelventil 21 weisen jeweils eine sich in Richtung der Längs achse 39 der Vorrichtungen erstreckende Zündkerze 7 mit zueinander beabstandeten Elektroden 8, 9 auf.

Bei der in der Fig. 4 dargestellten Vorrichtung ragt das Nadelven til 21 den Elektroden 8, 9 zugewandt mit seinem Düsenkörper 50 kon zentrisch zu der Längsachse 11 in einen Isolationskörper 57 der Zündkerze 7, so daß die Längsachse 11 der Zündkerze 7 und die Längs achse 39 der Vorrichtung 13 konzentrisch zueinander verlaufen. Der Düsenkörper 50 bildet zugleich einen Abschnitt der einen Elektrode 8 der Zündkerze 7. Die Ventilnadel 25 des Nadelventils 21 ist nach außen öffnend ausgeführt und die Düsenöffnung 23 des Düsenkörpers 50 konzentrisch zu der Längsachse 11 der Zündkerze 7 im Bereich zwi schen den beiden zueinander beabstandeten Elektroden 8 und 9 der Zündkerze vorgesehen, so daß das Brennstoff-Luft-Gemisch in Richtung der Längsachse 11 aus der Düsenöffnung 23 austritt und zumindest teilweise den senkrecht zu der Längsachse 11 ausgebildeten Spalt zwischen den beiden Elektroden 8 und 9 durchströmt. Der Isolations körper 57 der Zündkerze 7 wird teilweise von einem Gehäusebauteil 59 umgriffen, an das die Elektrode 9 mitangeformt ist.

Die Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung 13 zur Einblasung eines Brenn stoff-Luft-Gemisches, bei der die Zündkerze 7 mit ihrer Längsachse 11 und die Vorrichtung 13 mit ihrer Längsachse 39 parallel zueinan der angeordnet sind. Der Düsenkörper 50 des Nadelventils 21, in dem die nach außen öffnende Ventilnadel 25 geführt ist, ist in dem den Isolationskörper 57 der Zündkerze 7 teilweise umgreifenden Gehäuse bauteil 59 so ausgebildet, daß die Düsenöffnung 23 des Nadelventils 21 gegenüber der Längsachse 11 der Zündkerze 7 seitlich versetzt im Bereich zwischen den beiden zueinander beabstandeten Elektroden 8 und 9 der Zündkerze angeordnet ist, so daß das eingeblasene Brenn stoff-Luft-Gemisch parallel zu der Längsachse 11 aus der Düsenöff nung 23 austritt und zumindest teilweise den senkrecht zu der Längs achse 11 ausgebildeten Spalt zwischen den Elektroden 8 und 9 durch strömt. Die Elektrode 8 der Zündkerze 7 ist an das Gehäusebauteil 59 mitangeformt.

Die Ausbildung der Vorrichtung 13 zur Einblasung eines Brenn stoff-Luft-Gemisches gemäß den in den Fig. 4 und 5 dargestellten Beispielen ermöglicht auf einfache Weise die Bildung eines stabilen Flammkerns zur Entflammung des gesamten im Brennraum 1 der Brenn kraftmaschine vorhandenen Brennstoff-Luft-Gemisches.

Claims

1. Verfahren zur Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraft maschine, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Einblasphase von einem Einblasbeginn (EB) bis zu einem Einblasende (EE) des Brenn stoff-Luft-Gemisches in den Brennraum (1) das Brennstoff-Luft-Ver hältnis λ des eingeblasenen Brennstoff-Luft-Gemisches erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Einblasphase das Brennstoff-Luft-Verhältnis λ des eingeblasenen Brennstoff-Luft-Gemisches kontinuierlich erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Einblasphase das Brennstoff-Luft-Verhältnis λ des eingeblasenen Brennstoff-Luft-Gemisches stufenweise erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein blasphase des Brennstoff-Luft-Gemisches an einem Einblasende (EE) nahe des Zündzeitpunktes des in dem Brennraum (1) der Brennkraft maschine befindlichen Brennstoff-Luft-Gemisches endet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß das nahe des Zündzeitpunktes, vorzugsweise unmittelbar vor dem Zeitpunkt an dem Einblasende (EE) eingeblasene Brenn stoff-Luft-Gemisch ein Brennstoff-Luft-Verhältnis λ von 0,8 bis 1,2 aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wäh rend einer Einblasphase abgegebene Luftmenge konstant gehalten und die abgegebene Brennstoffmenge variiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ein blasbeginn (EB) das Brennstoff-Luft-Gemisch ein Brennstoff-Luft-Ver hältnis λ von etwa 0,1 und bei Einblasende (EE) von etwa 1,0 hat.

8. Vorrichtung zur Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches mit einem Gehäuse, in dem eine Einblasvorrichtung mit einem Nadelventil und eine Zündkerze vorgesehen sind, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Nadelventil (21) konzentrisch zu einer Längsachse (11) der Zündkerze (7) angeordnet ist.

9. Vorrichtung zur Einblasung eines Brennstoff-Luft-Gemisches mit einem Gehäuse, in dem eine Einblasvorrichtung mit einem Nadelventil und eine Zündkerze vorgesehen sind, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Nadelventil (21) mit Abstand parallel zu einer Längsachse (11) der Zündkerze (7) angeordnet ist.