AT523911B1 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SPRINKLER IGNITION - Google Patents

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AT523911B1
AT523911B1 ATA50236/2020A AT502362020A AT523911B1 AT 523911 B1 AT523911 B1 AT 523911B1 AT 502362020 A AT502362020 A AT 502362020A AT 523911 B1 AT523911 B1 AT 523911B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung mit zumindest einer Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung (100) mit einem Zylinderkopf (4) mit zumindest einer in einen Brennraum (7) mündenden Vorkammer (8), in welche eine erste Zündvorrichtung (9) einmündet, mit einer in den Brennraum (7) oder in einen Einlasskanal mündenden ersten Kraftstoffeinspritzeinrichtung (11), wobei in die Vorkammer (8) eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung (12) zur Zufuhr eines Kraftstoff-Luft-Gemisches einmündet. Um die Verbrennungsstabilität zu verbessern ist vorgesehen, dass der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung (12) zumindest eine Vormischkammer (14) stromaufwärts vorgelagert ist, in welche zumindest ein Luftkanal (15) und zumindest eine dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung (13) einmünden.The invention relates to an internal combustion engine with spark ignition with at least one mixture preparation and ignition arrangement (100) with a cylinder head (4) with at least one prechamber (8) opening into a combustion chamber (7), into which a first ignition device (9) opens, with a first fuel injection device (11) opening into the combustion chamber (7) or into an intake port, a second fuel injection device (12) for supplying a fuel-air mixture opening into the antechamber (8). In order to improve combustion stability, at least one premixing chamber (14) is upstream of the second fuel injection device (12), into which at least one air duct (15) and at least one third fuel injection device (13) open.

Description

Beschreibungdescription

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit einem Zylinderkopf mit zumindest einer Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung mit zumindest einer in einen Brennraum mündenden Vorkammer, in welche eine erste Zündvorrichtung einmündet, mit einer in den Brennraum oder in einen Einlasskanal mündenden ersten Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei in die Vorkammer eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Zufuhr eines Kraftstoff-LuftGemisches einmündet, wobei der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung zumindest eine Vormischkammer stromaufwärts vorgelagert ist, in welche zumindest ein Luftkanal und zumindest eine dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung einmünden, und wobei die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung als Hochdruckinjektor ausgebildet ist. The invention relates to an internal combustion engine with spark ignition, having a cylinder head with at least one mixture preparation and ignition arrangement, having at least one prechamber opening into a combustion chamber and into which a first ignition device opens, having a first fuel injection device opening into the combustion chamber or into an intake port, wherein a second fuel injection device for supplying a fuel-air mixture opens into the antechamber, wherein at least one premixing chamber is upstream of the second fuel injection device, into which at least one air duct and at least one third fuel injection device open, and wherein the second fuel injection device is designed as a high-pressure injector.

[0002] Aus der WO 03/042518 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer geteilten Brennkammer bekannt. Eine erste Kraftstoffvorrichtung mündet dabei in einen Hauptbrennraum, welcher durch einen Kolben und eine Brennraumdecke des Zylinderkopfes aufgespannt wird. Eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung und eine Zündvorrichtung münden in einen durch eine Vorkammer gebildeten Nebenbrennraum, welcher mit dem Hauptbrennraum über einen durch ein Ventil steuerbaren Ubertrittskanal verbunden ist. An internal combustion engine with a divided combustion chamber is known from WO 03/042518 A1. A first fuel device opens into a main combustion chamber, which is spanned by a piston and a combustion chamber cover of the cylinder head. A second fuel injection device and an ignition device open into an auxiliary combustion chamber formed by a prechamber, which is connected to the main combustion chamber via a transfer channel that can be controlled by a valve.

[0003] Die DE 10 2018 114 035 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem mit einer in einen Brennraum mündenden Vorkammer. Weiters mündet eine Direktkraftstoffeinspritzeinrichtung in den Brennraum ein. In die Vorkammer münden eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung und eine Zündeinrichtung, sowie ein mit einer Ventilschaftkammer verbundener Spülkanal ein. Aus der DE 10 2014 005 984 A1 ist eine ähnliche Brennkraftmaschine bekannt, wobei in die Vorkammer eine Frischluftleitung einmündet. DE 10 2018 114 035 A1 discloses an internal combustion engine with a prechamber ignition system with a prechamber opening into a combustion chamber. Furthermore, a direct fuel injection device opens into the combustion chamber. A fuel injection device and an ignition device, as well as a scavenging channel connected to a valve stem chamber, open into the antechamber. A similar internal combustion engine is known from DE 10 2014 005 984 A1, with a fresh air line opening into the antechamber.

[0004] Die Druckschrift JP 10325377 A offenbart einen Brennkraftmaschine mit Fremdzündung mit einer in den Brennraum mündenden ersten Kraftstoffeinspritzeinrichtung und einer in den Brennraum mündenden Vorkammer. In die Vorkammer mündet eine Zündeinrichtung und eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung ein, welcher eine Vormischkammer vorgelagert ist, in die eine dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung einmündet. Dabei wird die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung vor der dritten Kraftstoffeinspritzeinrichtung geöffnet, wodurch kein Gemisch in der Vormischkammer gebildet wird. Es kommt auch zu keinen Brennfackeln, welche ein homogenes Gemisch in den Brennraum entladen. Eine homogene Gemischbildung und eine homogene Verbrennung lässt sich mit dieser Anordnung nicht realisiert. The document JP 10325377 A discloses an internal combustion engine with spark ignition with a first fuel injector opening into the combustion chamber and an antechamber opening into the combustion chamber. An ignition device and a second fuel injection device open into the antechamber, which is preceded by a premixing chamber into which a third fuel injection device opens. The second fuel injection device is opened before the third fuel injection device, as a result of which no mixture is formed in the premixing chamber. There are also no flares, which discharge a homogeneous mixture into the combustion chamber. A homogeneous mixture formation and a homogeneous combustion cannot be realized with this arrangement.

[0005] Die WO 2022/015329 A1 beschreibt einen Gasmotor mit einem Brennraum und einer mit dem Brennraum verbundenen seitlichen Vorkammer, einer Gasversorgung zum Zuführen des Brenngases in die Vorkammer und einer Zündeinrichtung zum Zünden des in der Vorkammer vorhandenen Brenngases. Der Gasmotor weist eine Luftversorgung auf, mit welcher der Vorkammer Luft zugeführt wird. Eine homogene Verbrennung kann mit dieser Anordnung ebenfalls nicht realisiert werden. WO 2022/015329 A1 describes a gas engine with a combustion chamber and a side antechamber connected to the combustion chamber, a gas supply for supplying the combustion gas into the antechamber and an ignition device for igniting the combustion gas present in the antechamber. The gas engine has an air supply, with which air is supplied to the antechamber. A homogeneous combustion cannot be realized with this arrangement either.

[0006] Aus der DE 10 2012 107 242 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem VorkammerStrahlzünder mit einer eine Zündeinrichtung aufweisenden Vorkammer bekannt. Der VorkammerStrahlzünder weist einen Kompressionsblock mit einer Kompressionskammer und einem Druckbeaufschlagungskolben zum Verändern des Volumens der Kompressionskammer sowie einer Ventileinheit auf. Die Kompressionskammer, in welche eine Einspritzeinrichtung einmündet, ist über die Ventileinheit und einem Kraftstoff-Gemisch-Durchgang mit der Vorkammer verbunden. Die Ventileinheit spritzt in die Verbrennungskammer zumindest eine Strahl-Verbrennungsflamme von außerhalb der Verbrennungskammer ein, wobei die Strahl-Verbrennungsflamme als Zündquelle für den in die Verbrennungskammer eingespritzten Kraftstoff dient. [0006] DE 10 2012 107 242 A1 discloses an internal combustion engine with a prechamber jet igniter with a prechamber having an ignition device. The prechamber jet igniter has a compression block with a compression chamber and a pressurizing piston for changing the volume of the compression chamber and a valve unit. The compression chamber, into which an injection device opens, is connected to the antechamber via the valve unit and a fuel-mixture passage. The valve unit injects into the combustion chamber at least one jet of combustion flame from outside the combustion chamber, the jet of combustion flame serving as an ignition source for fuel injected into the combustion chamber.

[0007] Die US 5,081,969 A offenbart eine Brennkraftmaschine mit einer Vorkammer zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches. Uber ein Rückschlagventil wird aus einer Verteilungskammer ein Luft-Kraftstoff-Gemisch einer Vorkammer zugeführt, welche nach Mischen mit einem Teil eines während eines Kompressionshubes aus der Hauptbrennkammer in die Vorkammer einge-discloses an internal combustion engine with a pre-chamber for igniting an air-fuel mixture. Via a non-return valve, an air-fuel mixture is fed from a distribution chamber to a pre-chamber which, after mixing with a portion of a gas released during a compression stroke from the main combustion chamber, enters the pre-chamber.

brachten Luft-Kraftstoffgemisches ein stöchiometrisches Gemisch für eine rasche Zündung und schnelle Flammenfront in der Brennkammer bereitstellt. brought air-fuel mixture provides a stoichiometric mixture for rapid ignition and flame front in the combustion chamber.

[0008] Die DE 697 20 929 T2 beschreibt eine weitere Vorrichtung zum integrierten Einspritzen und Zünden in einer Brennkraftmaschine mit einem Einspritzmodul und einem Zündungsmodul, wobei das Zündungsmodul einen rohrförmigen Körper mit einem konischen Hohlraum aufweist, in welchem eine Zündeinrichtung angeordnet ist. Der Hohlraum steht über ein Ventil mit einem Einspritzmodul in Verbindung, in welchen eine Kraftstoffzufuhr und eine Luftzufuhr einmünden. Brennfackeln zur Realisierung einer homogenen Verbrennung sind nicht vorgesehen. DE 697 20 929 T2 describes another device for integrated injection and ignition in an internal combustion engine with an injection module and an ignition module, the ignition module having a tubular body with a conical cavity in which an ignition device is arranged. The cavity is connected via a valve to an injection module, into which a fuel supply and an air supply open. Burning flares for the realization of a homogeneous combustion are not provided.

[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es auf möglichst einfache Weise die Verbrennungsstabilität zu verbessern. The object of the present invention is to improve the combustion stability in the simplest possible way.

[0010] Ausgehend von einer Brennkraftmaschine der eingangsgenannten Art wird dies dadurch erreicht, dass die Vormischkammer derart ausgebildet ist, dass in der Vormischkammer Luft und Kraftstoff derart vermischt werden und der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung ein bereits weitgehend homogenes Gemisch aus Luft und Kraftstoff zugeführt wird, und dass die Vorkammer etwa mittig, also im Bereich einer Zylinderachse, im Bereich einer Brennraumdecke des Zylinderkopfs angeordnet ist und sich mehrere Brennfackeln aus der Vorkammer in den Brennraum entladen. Based on an internal combustion engine of the type mentioned above, this is achieved in that the premixing chamber is designed in such a way that air and fuel are mixed in the premixing chamber in such a way that the second fuel injection device is supplied with an already largely homogeneous mixture of air and fuel, and that the antechamber is arranged approximately in the middle, ie in the area of a cylinder axis, in the area of a combustion chamber ceiling of the cylinder head and several combustion torches are discharged from the antechamber into the combustion chamber.

[0011] In der stromaufwärts der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung angeordneten Vormischkammer wird Luft und Kraftstoff vermischt. Der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird somit ein bereits weitgehend homogenes Gemisch aus Luft- und Kraftstoff zugeführt. Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung führt das weitgehend homogene Kraftstoff-Luft-Gemisch der Vorkammer ZU, WO es durch die erste Zündvorrichtung gezündet wird. Zur Zündung kommt dabei ein homogenes Kraftstoff-Luftgemisch, was eine stabile Verbrennung gewährleistet. Air and fuel are mixed in the premixing chamber arranged upstream of the second fuel injection device. An already largely homogeneous mixture of air and fuel is thus supplied to the second fuel injection device. The second fuel injector feeds the substantially homogeneous fuel-air mixture to the pre-chamber where it is ignited by the first ignition device. A homogeneous fuel-air mixture is used for ignition, which ensures stable combustion.

[0012] Vorzugsweise ist die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung als Erdgasinjektor, ausgebildet. Dabei ist in einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung ein nach außen öffnendes Ventil aufweist. The second fuel injection device is preferably designed as a natural gas injector. In one embodiment variant of the invention, it is provided that the second fuel injection device has an outwardly opening valve.

[0013] Der Kraftstoff wird der Vormischkammer über die dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung zugeführt. Günstigerweise ist dabei die dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung durch einen Niederdruckinjektor mit beispielsweise 5 bar Einspritzdruck, vorzugsweise durch einen Multi Point Injektor (MP) ausgebildet. The fuel is supplied to the premixing chamber via the third fuel injector. The third fuel injection device is advantageously designed as a low-pressure injector with an injection pressure of 5 bar, for example, preferably as a multi-point injector (MP).

[0014] Um Bauraum einzusparen und den Fertigungsaufwand so gering wie möglich zu halten ist in einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass Vorkammer und erste Zündvorrichtung als Vorkammerzündkerze - also als Zündkerze mit integrierter Vorkammer - ausgebildet sind. Dabei kann beispielsweise eine handelsübliche Serien-Vorkammerzündkerze eingesetzt werden. Derartige Bauteile sind kostengünstig und erfordern nur minimalen Bauraum. In order to save space and to keep the production costs as low as possible, one embodiment of the invention provides that the prechamber and the first ignition device are designed as a prechamber spark plug—that is, as a spark plug with an integrated prechamber. In this case, for example, a commercially available series prechamber spark plug can be used. Such components are inexpensive and require only minimal space.

[0015] Ein besonders geringer Konstruktions- und Fertigungsaufwand lässt sich realisieren, wenn die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung, die Vormischkammer und/oder die dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung als separate Bauteile ausgebildet sind, welche vorzugsweise durch eine Schraubverbindung, miteinander lösbar verbunden sind. Dies ermöglicht es, handelsübliche Serienteile zu verwenden, wodurch Kosten eingespart werden können. A particularly low design and manufacturing effort can be realized if the second fuel injection device, the premixing chamber and / or the third fuel injection device are designed as separate components, which are preferably connected to each other detachably by a screw connection. This makes it possible to use commercially available series parts, which means that costs can be saved.

[0016] Eine Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass der Luftkanal und/oder die Vormischkammer integral mit dem Zylinderkopf ausgebildet ist/sind. Somit lassen sich Kosten für weitere zusätzliche Bauteile verringern. An embodiment variant of the invention provides that the air duct and/or the premixing chamber is/are formed integrally with the cylinder head. Thus, costs for further additional components can be reduced.

[0017] Um eine optimale Vermischung des Kraftstoffes mit der zugeführten Luft zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn der Luftkanal so in die Vormischkammer einmündet, dass durch die einströmende Luft eine definierte Drallströmung in der Vormischkammer erzeugt wird. Dadurch entstehen hohe Turbulenzen in der Vormischkammer, was die Gleichverteilung des Kraftstoffes in der zugeführten Luft fördert. In order to achieve optimal mixing of the fuel with the supplied air, it is advantageous if the air duct opens into the premixing chamber in such a way that a defined swirl flow is generated in the premixing chamber by the inflowing air. This creates high turbulence in the premixing chamber, which promotes the even distribution of the fuel in the air supplied.

[0018] Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Vormischkammer elektrisch beheizbar ist. Dies ermöglicht eine optimale Gemischbildung auch bei kalten Bedin-A further embodiment of the invention provides that the pre-mixing chamber can be heated electrically. This enables optimal mixture formation even in cold conditions.

gungen. ments.

[0019] Um die Kaltstarteigenschaften weiter zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass in den Brennraum zumindest eine zweite Zündvorrichtung einmündet. In order to further improve the cold start properties, it can be provided that at least one second ignition device opens into the combustion chamber.

[0020] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Fig. dargestellten nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to non-restrictive exemplary embodiments illustrated in the figures.

[0021] Darin zeigen schematisch: Schematically shown therein:

[0022] Fig. 1 einen Zylinder mit einer Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt in einer ersten Ausführungsvariante, 1 shows a cylinder with a mixture preparation and ignition arrangement of an internal combustion engine according to the invention in a longitudinal section in a first embodiment variant,

[0023] Fig. 2 einen Zylinder mit einer Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt in einer zweiten Ausführungsvariante und [0023] FIG. 2 shows a cylinder with a mixture preparation and ignition arrangement of an internal combustion engine according to the invention in a longitudinal section in a second embodiment variant and

[0024] Fig. 3 das Detail Ill aus Fig. 1 bzw. 2, 3 shows the detail III from FIG. 1 or 2,

[0025] Fig. 4 eine Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer dritten Ausführungsvariante, 4 shows a mixture preparation and ignition arrangement of an internal combustion engine according to the invention in a third embodiment variant,

[0026] Fig. 5 eine Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer vierten Ausführungsvariante, 5 shows a mixture preparation and ignition arrangement of an internal combustion engine according to the invention in a fourth embodiment variant,

[0027] Fig. 6 eine Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer fünften Ausführungsvariante, 6 shows a mixture preparation and ignition arrangement of an internal combustion engine according to the invention in a fifth embodiment variant,

[0028] Fig. 7 eine Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer sechsten Ausführungsvariante, 7 shows a mixture preparation and ignition arrangement of an internal combustion engine according to the invention in a sixth embodiment variant,

[0029] Fig. 8 das Detail VIII aus Fig. 7 und Fig. 8 shows detail VIII from Fig. 7 and

[0030] Fig. 9 eine Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine in einer siebenten Ausführungsvariante. 9 shows a mixture preparation and ignition arrangement of an internal combustion engine according to the invention in a seventh embodiment variant.

[0031] Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils einen Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine in einem Längsschnitt. Im durch ein Zylindergehäuse 2 gebildeten Zylinder 1 ist ein hin- und hergehender Kolben 3 angeordnet. Zwischen der durch den Zylinderkopf 4 aufgespannten Brennraumdecke 5 und dem Kolbendach 6 ist ein Brennraum 7 aufgespannt. Die Brennkraftmaschine kann einen oder mehrere Zylinder 1 aufweisen, wobei jedem Zylinder eine Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung 100 zugeordnet ist. Die Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung 100 weist zumindest eine Vorkammer 8, zumindest eine Zündvorrichtung 9 und zumindest eine Kraftstoffeinrichtung 12 auf. 1 and 2 each show a cylinder 1 of an internal combustion engine in a longitudinal section. In the cylinder 1 formed by a cylinder housing 2, a reciprocating piston 3 is arranged. A combustion chamber 7 is spanned between the combustion chamber ceiling 5 spanned by the cylinder head 4 and the piston roof 6 . The internal combustion engine can have one or more cylinders 1, with each cylinder being assigned a mixture preparation and ignition arrangement 100. The mixture preparation and ignition arrangement 100 has at least one antechamber 8, at least one ignition device 9 and at least one fuel device 12.

[0032] Etwa mittig, also im Bereich der Zylinderachse 1a ist im Bereich der Brennraumdecke 5 des Zylinderkopfes 4 die Vorkammer 8 angeordnet, welche mit dem Brennraum 7 strömungsverbunden ist. In die Vorkammer 8 mündet eine erste Zündvorrichtung 9 ein. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind erste Zündvorrichtung 9 und Vorkammer 8 als Einheit ausgebildet, beispielsweise durch eine handelsübliche Vorkammerzündkerze 10 gebildet. In den Brennraum 7 mündet weiters eine erste Kraftstoffeinspritzeinrichtung 11 ein. Approximately in the middle, ie in the area of the cylinder axis 1a, the prechamber 8 is arranged in the area of the combustion chamber ceiling 5 of the cylinder head 4, which is flow-connected to the combustion chamber 7. A first ignition device 9 opens into the antechamber 8 . In the exemplary embodiments shown, the first ignition device 9 and the prechamber 8 are designed as a unit, for example formed by a commercially available prechamber spark plug 10 . A first fuel injection device 11 also opens into the combustion chamber 7 .

[0033] Das Volumen der Vorkammer 8 beträgt beispielsweise etwa 0,1% des Hubraumes des Zylinders 1. The volume of the antechamber 8 is, for example, about 0.1% of the displacement of the cylinder 1.

[0034] Eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 mündet in die Vorkammer 8 ein. In den Ausführungsbeispielen mündet die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 seitlich in die Vorkammer 8 ein. Der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 ist zumindest eine Vormischkammer 14 stromaufwärts vorgelagert. In die Vormischkammer 14 münden zumindest ein Luftkanal 15 und zumindest eine dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung 13 ein. Der Luftkanal 15 mündet so in die Vormischkammer 14 ein, dass durch die einströmende Luft eine definierte Draliströmung in der Vormischkammer 14 erzeugt wird. Dies verbessert die Gemischbildung zwischen Luft und Kraftstoff in der A second fuel injection device 12 opens into the antechamber 8 . In the exemplary embodiments, the second fuel injection device 12 opens into the antechamber 8 at the side. At least one premixing chamber 14 is arranged upstream of the second fuel injection device 12 . At least one air duct 15 and at least one third fuel injection device 13 open into the premixing chamber 14 . The air duct 15 opens into the premixing chamber 14 in such a way that a defined swirl flow is generated in the premixing chamber 14 by the inflowing air. This improves the mixture formation between air and fuel in the

Vormischkammer 14. Eine weitere Verbesserung der Gemischbildung kann durch ein Mischelement 16 (siehe Fig. 3) in der Vormischkammer 14 bewirkt werden, welches beispielsweise kegelförmig im Auftreffbereich des Kraftstoffeinspritzstrahles aus der dritten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 13 ausgebildet ist. Der Luftkanal 15 kann vorteilhaft durch ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil gebildet sein. Ebenso kann die dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung 13 durch ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil gebildet sein. Premixing chamber 14. Mixture formation can be further improved by a mixing element 16 (see FIG. 3) in premixing chamber 14, which is designed, for example, conically in the impact area of the fuel injection jet from third fuel injection device 13. The air duct 15 can advantageously be formed by a valve, in particular a check valve. Likewise, the third fuel injection device 13 can be formed by a valve, in particular a check valve.

[0035] Um eine optimale Gemischbildung auch bei kalten Bedingungen zu ermöglichen, kann die Vormischkammer 14 elektrisch beheizbar ausgebildet sein. In order to enable optimal mixture formation even in cold conditions, the premixing chamber 14 can be designed to be electrically heatable.

[0036] Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 und die dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung 13 werden in den Ausführungsbeispielen durch Serienbauteile gebildet. Dies verringert den Herstellungsaufwand und erlaubt eine kompakte Anordnung. The second fuel injection device 12 and the third fuel injection device 13 are formed in the exemplary embodiments by series components. This reduces the manufacturing effort and allows a compact arrangement.

[0037] Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 ist als Hochdruckinjektor, beispielsweise als Erdgasinjektor, ausgebildet. Sie weist in einer Ausführung der Erfindung ein Ventil mit nach außen, also in Richtung der Vorkammer 8 öffnendem Ventilkörper 17 auf (siehe Fig. 3). Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 kann mit niedrigem Druck stromaufwärts beaufschlagt werden, da der nach außen öffnende Ventilkörper 17 selbst-dichtend zum hohen Druck in der Vorkammer 8 wirkt. In einer nicht weiters dargestellten kostengünstigen alternativen Ausführungsvariante der Erfindung ist an Stelle des Ventils mit nach außen öffnendem Ventilkörper 17 zwischen der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 und der Vorkammer 8 ein in Richtung der Vorkammer öffnendes Rückschlagventil angeordnet. The second fuel injection device 12 is designed as a high-pressure injector, for example as a natural gas injector. In one embodiment of the invention, it has a valve with a valve body 17 that opens outward, ie in the direction of the antechamber 8 (see FIG. 3). The second fuel injection device 12 can be subjected to low pressure upstream, since the outwardly opening valve body 17 has a self-sealing effect with respect to the high pressure in the antechamber 8 . In a cost-effective alternative embodiment of the invention that is not shown, a check valve opening in the direction of the prechamber is arranged between the second fuel injection device 12 and the prechamber 8 instead of the valve with the valve body 17 opening outwards.

[0038] Die dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung 13 ist als Niederdruckinjektor, beispielsweise als sogenannter Multi Point Injektor (MP), ausgebildet. Die dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung 13 spritzt den Kraftstoff mit niedrigem Druck von beispielsweise 5 bar in die Vormischkammer 14 ein. Uber den Luftkanal 15 wird Luft mittels eines nicht dargestellten Kompressors in die Vormischkammer 14 eingebracht. The third fuel injection device 13 is designed as a low-pressure injector, for example as a so-called multi-point injector (MP). The third fuel injection device 13 injects the fuel into the premixing chamber 14 at a low pressure of, for example, 5 bar. Air is introduced into the premixing chamber 14 via the air duct 15 by means of a compressor (not shown).

[0039] Das Kraftstoff-Luftgemisch gelangt nach der Vormischkammer 14 in die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12. Diese zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 bläst das Kraftstoff-Luftgemisch in die Vorkammer 8. Dort wird das Kraftstoff-Luftgemisch verdichtet und durch die erste Zündvorrichtung 9 entzündet. Aus der Vorkammer 8 entladen sich mehrere, beispielsweise sechs Brennfackeln 18 in den Brennraum 7. After the premixing chamber 14, the fuel-air mixture reaches the second fuel injection device 12. This second fuel injection device 12 blows the fuel-air mixture into the antechamber 8. There the fuel-air mixture is compressed and ignited by the first ignition device 9. Several, for example six, torches 18 are discharged from the antechamber 8 into the combustion chamber 7.

[0040] Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, dass eine zweite Zündvorrichtung 19 in den Brennraum 7 einmündet. Dadurch kann das Kaltstartverhalten verbessert werden. The embodiment shown in FIG. 2 differs from FIG. 1 in that a second ignition device 19 opens into the combustion chamber 7 . As a result, the cold start behavior can be improved.

[0041] In den Fig. 4 bis 9 sind verschiedene Ausführungen von Gemischaufbereitungs- und Zündanordnungen 100 dargestellt. In den Fig. 4, 5, 6 und 9 mündet die Vorkammer 8 in einen Verteilungsbereich 8c, welcher mehrere düsenartige Verbindungskanäle 8d zum Brennraum 7 aufweist, die schirmförmig in den Brennraum 7 einmünden. Die Vorkammer 8 kann beispielsweise einstückig mit dem Zylinderkopf 1 ausgebildet oder als separater Bauteil ausgebildet sein. Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Ausführungsvariante, bei der die durch einen separaten Einsatz gebildete Vorkammer 8 im Bereich eines dem Brennraum 7 benachbarten Vorkammerboden 8f über Mündungsbohrungen 8g mit dem Brennraum 7 verbunden sind. 4 to 9 different versions of mixture preparation and ignition arrangements 100 are shown. In FIGS. 4, 5, 6 and 9, the antechamber 8 opens into a distribution area 8c, which has a plurality of nozzle-like connecting channels 8d to the combustion chamber 7, which open into the combustion chamber 7 in the form of an umbrella. The antechamber 8 can, for example, be designed in one piece with the cylinder head 1 or be designed as a separate component. 7 and 8 show an embodiment variant in which the prechamber 8 formed by a separate insert is connected to the combustion chamber 7 in the region of a prechamber floor 8f adjacent to the combustion chamber 7 via orifice bores 8g.

[0042] In den Fig. 4, 7 und 9 sind Zündvorrichtung 9 und zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 im Bereich der dem Brennraum 7 abgewandten Vorkammerdecke 8b angeordnet. In FIGS. 4, 7 and 9, the ignition device 9 and the second fuel injection device 12 are arranged in the region of the antechamber cover 8b facing away from the combustion chamber 7.

[0043] Die Fig. 5 zeigt eine Ausführung, bei der die Zündvorrichtung 9 etwa parallel zur Vorkammerachse 8a ausgerichtet ist und im Bereich der Vorkammerdecke 8b in die Vorkammer 8 einmündet. Die Achse 9a der Zündvorrichtung 9 ist dabei etwa normal zur Vorkammerdecke 8b angeordnet. Die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 mündet unter einem Winkel a zwischen 30° und 60°, beispielsweise 45°, am Rand der Vorkammerdecke 12 in die Vorkammer 8 ein. 5 shows an embodiment in which the ignition device 9 is aligned approximately parallel to the antechamber axis 8a and opens into the antechamber 8 in the region of the antechamber cover 8b. The axis 9a of the ignition device 9 is arranged approximately normal to the antechamber cover 8b. The second fuel injection device 12 opens into the prechamber 8 at an angle a between 30° and 60°, for example 45°, at the edge of the prechamber cover 12 .

[0044] Fig. 6 zeigt eine Ausführung, bei der die Zündvorrichtung 9 unter einem Winkel ß zwischen 30° und 60°, beispielsweise 45°, am Rand der Vorkammerdecke 8b in die Vorkammer 8 einmün-6 shows an embodiment in which the ignition device 9 opens into the antechamber 8 at an angle β between 30° and 60°, for example 45°, at the edge of the antechamber cover 8b.

det. Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 mündet in einem Bereich zwischen dem Rand der Vorkammerdecke 8b und der Zündvorrichtung 9 in die Vorkammer 8 ein. Die Achse 12a der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 ist dabei etwa normal zur Vorkammerdecke 8b angeordnet. de. The fuel injection device 12 opens into the prechamber 8 in a region between the edge of the prechamber cover 8b and the ignition device 9 . The axis 12a of the fuel injection device 12 is arranged approximately normal to the antechamber cover 8b.

[0045] In Fig. 7 und 9 ist jeweils mit punktierten Linien das Strahlbild der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 angedeutet. Die Einbringung des Gemisches aus vorverdampfter Luft und Kraftstoffgemisch erfolgt über die nach außen öffnende Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12. In Fig. 7 ist das Strahlbild symmetrisch zur Achse 12a der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 12 und schirmartig ausgebildet. Das Grundstrahlbild ist dabei ein Konus. Fig. 9 weist dagegen ein asymmetrisches Strahlbild auf, wobei die Einspritzstrahlen zur Vorkammerachse 8a bzw. zur Zündvorrichtung 9 hin gerichtet sind. Das Grundstrahlbild ist auch hier ein Konus. Da es sich um zumindest teilverdampftes Gemisch handelt, zieht sich der Konus zusammen. In FIGS. 7 and 9, the jet pattern of the fuel injection device 12 is indicated by dotted lines. The mixture of pre-evaporated air and fuel mixture is introduced via the fuel injection device 12, which opens to the outside. The basic jet pattern is a cone. 9, on the other hand, has an asymmetrical jet pattern, with the injection jets being directed toward the prechamber axis 8a or toward the ignition device 9. FIG. The basic jet pattern is also a cone here. Since the mixture is at least partially evaporated, the cone contracts.

[0046] Mit der beschriebenen Anordnung wird ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff (und eventuell auch reiner Kraftstoff bzw. auch reine Luft) direkt in die Vorkammer 8 eingebracht. With the arrangement described, a mixture of air and fuel (and possibly also pure fuel or also pure air) is introduced directly into the antechamber 8 .

[0047] Damit kann die Gemischzusammensetzung bzw. der Lambda-Wert des Kraftstoff-/Luftverhältnisses in der Vorkammer 8 unabhängig vom Lambda-Wert im Brennraum 7 eingestellt werden, was Verbrennungsstabilität, Restgasverträglichkeit, Katheizen mit einer VorkammerZündung verbessert. The mixture composition or the lambda value of the fuel/air ratio in the antechamber 8 can thus be set independently of the lambda value in the combustion chamber 7, which improves combustion stability, residual gas tolerance, and catalytic converter heating with an ignition in the antechamber.

[0048] Die Einspritzung des Gemisches in die Vorkammer 8 erfolgt dabei vor dem Zündzeitpunkt. Die Einspritzung des Kraftstoff-Luftgemisches erhöht die Turbulenz und somit die Energie in der Vorkammer 8. Dies ist insbesondere im Katheiz-Betrieb von Vorteil, da in diesem späte Zündzeitpunkte eingestellt werden, was dazu führt, dass meist keine bzw. keine ausreichende Turbulenz in der Vorkammer 8 vorhanden ist und daher die Flamme nicht von der Vorkammer 8 in den Brennraum 7 brennt. Wenn die Einspritzung des Kraftstoff-Luftgemisches in die Vorkammer 8 kurz vor dem Zündzeitpunkt erfolgt, wird Turbulenz generiert. Damit kann die Verbrennung unter extremen Bedingungen stabil ablaufen. The mixture is injected into the antechamber 8 before the ignition point. The injection of the fuel-air mixture increases the turbulence and thus the energy in the antechamber 8. This is particularly advantageous in catalytic converter operation, since late ignition times are set in this, which means that there is usually no or insufficient turbulence in the Antechamber 8 is present and therefore the flame does not burn from the antechamber 8 into the combustion chamber 7. When the fuel-air mixture is injected into the pre-chamber 8 just before the ignition timing, turbulence is generated. This allows combustion to be stable under extreme conditions.

[0049] Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung ist, dass die Restgasverträglichkeit sehr hoch ist. Im Brennraum 7 herrscht eine hohe Restgasrate, in der Vorkammer 8 dagegen befindet sich weniger Restgas. Dadurch werden eine stabilere Verbrennung, erweiterte Restgastoleranz, besserer Verbrauch und weniger Wandwärmeverluste erreicht. Another advantage of the arrangement described is that the residual gas tolerance is very high. In the combustion chamber 7 there is a high residual gas rate, in the antechamber 8, on the other hand, there is less residual gas. This achieves more stable combustion, extended residual gas tolerance, better consumption and less wall heat loss.

Claims (9)

Patentansprüchepatent claims 1. Brennkraftmaschine mit Fremdzündung, mit einem Zylinderkopf (4) mit zumindest einer Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung (100) mit zumindest einer in einen Brennraum (7) mündenden Vorkammer (8), in welche eine erste Zündvorrichtung (9) einmündet, mit einer in den Brennraum (7) oder in einen Einlasskanal mündenden ersten Kraftstoffeinspritzeinrichtung (11), wobei in die Vorkammer (8) eine zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung (12) zur Zufuhr eines Kraftstoff-Luft-Gemisches einmündet, wobei der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung (12) zumindest eine Vormischkammer (14) stromaufwärts vorgelagert ist, in welche zumindest ein Luftkanal (15) und zumindest eine dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung (13) einmünden, und wobei die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung (12) als Hochdruckinjektor ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammer (14) derart ausgebildet ist, dass in der Vormischkammer (14) Luft und Kraftstoff derart vermischt werden und der zweiten Kraftstoffeinspritzeinrichtung (12) ein bereits weitgehend homogenes Gemisch aus Luft und Kraftstoff zugeführt wird, und dass die Vorkammer (8) etwa mittig, also im Bereich einer Zylinderachse (1a), im Bereich einer Brennraumdecke (5) des Zylinderkopfs (4) angeordnet ist und sich mehrere Brennfackeln (18) aus der Vorkammer (8) in den Brennraum (7) entladen. Internal combustion engine with spark ignition, having a cylinder head (4) with at least one mixture preparation and ignition arrangement (100) with at least one prechamber (8) opening into a combustion chamber (7), into which a first ignition device (9) opens, with an in the combustion chamber (7) or a first fuel injection device (11) opening into an intake port, a second fuel injection device (12) for supplying a fuel-air mixture opening into the prechamber (8), the second fuel injection device (12) having at least one premixing chamber ( 14) upstream, into which at least one air duct (15) and at least one third fuel injection device (13) open, and wherein the second fuel injection device (12) is designed as a high-pressure injector, characterized in that the premixing chamber (14) is designed in such a way that in the premixing chamber (14) air and fuel are mixed in such a way and the second fuel fine injection device (12) an already largely homogeneous mixture of air and fuel is supplied, and that the prechamber (8) is arranged approximately centrally, i.e. in the area of a cylinder axis (1a), in the area of a combustion chamber cover (5) of the cylinder head (4) and several combustion torches (18) are discharged from the antechamber (8) into the combustion chamber (7). 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung (12) als Erdgasinjektor, ausgebildet ist. 2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the second fuel injection device (12) is designed as a natural gas injector. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung (12) ein Ventil mit nach außen öffnendem Ventilkörper (17) aufweist. 3. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the second fuel injection device (12) has a valve with an outwardly opening valve body (17). 4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung (13) durch einen Niederdruckinjektor, vorzugsweise durch einen Multi Point Injektor, gebildet ist. 4. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the third fuel injection device (13) is formed by a low-pressure injector, preferably by a multi-point injector. 5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Vorkammer (8) und erste Zündvorrichtung (9) als Vorkammerzündkerze (10) ausgebildet sind. 5. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the antechamber (8) and the first ignition device (9) are designed as an antechamber spark plug (10). 6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kraftstoffeinspritzeinrichtung (12), die Vormischkammer (14) und/oder die dritte Kraftstoffeinspritzeinrichtung (13) als separate Bauteile ausgebildet sind, welche vorzugsweise durch eine Schraubverbindung, miteinander lösbar verbunden sind. 6. Internal combustion engine according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the second fuel injection device (12), the premixing chamber (14) and/or the third fuel injection device (13) are designed as separate components which can be detached from one another, preferably by a screw connection are connected. 7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (15) und/oder die Vormischkammer (14) integral mit dem Zylinderkopf (4) ausgebildet ist/sind. 7. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the air duct (15) and / or the premixing chamber (14) is formed integrally with the cylinder head (4) / are. 8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (15) so in die, insbesondere elektrisch beheizbare, Vormischkammer (14) einmündet, dass durch die einströmende Luft eine definierte Drallströmung in der Vormischkammer (14) erzeugt wird. 8. Internal combustion engine according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the air duct (15) opens into the, in particular electrically heatable, premixing chamber (14) in such a way that the inflowing air generates a defined swirl flow in the premixing chamber (14). . 9. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Brennraum (7) zumindest eine zweite Zündvorrichtung (19) einmündet. 9. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8, characterized in that in the combustion chamber (7) at least one second ignition device (19) opens. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 3 sheets of drawings
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