DE102004039818A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entflammung von Kraftstoff-Luft-Gemischen bei einem Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entflammung von mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen bei einem Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündeinrichtung, wobei die Vorkammer über Überströmkanäle mit dem Hauptbrennraum verbunden ist und zumindest ein Teil des zum Zündzeitpunkt im Brennraum vorhandenen Kraftstoffs durch eine direkte Einspritzung eines flüssigen Kraftstoffs in den Brennraum eingebracht wird und zur lokalen Anfettung des Gemischs in der Vorkammer dient. Durch die Gemischanfettung werden einerseits die Zündbedingungen in der Vorkammer verbessert und andererseits als Folge einer schnellen Energieumsetzung in der Vorkammer, in Verbindung mit vorzugsweise mehreren Überströmkanälen der Vorkammer, Fackelstrahlen mit sehr hoher Austrittsgeschwindigkeit erzeugt. Die Erfindung betrifft zudem zur Durchführung des Verfahrens dienende Vorrichtungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entflammung von mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen bei einem Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündeinrichtung, wobei die Vorkammer über Überströmkanäle mit dem Hauptbrennraum verbunden ist und zumindest ein Teil des zum Zündzeitpunkt im Brennraum vorhandenen Kraftstoffs durch eine direkte Einspritzung eines flüssigen Kraftstoffs in den Brennraum eingebracht wird und zur lokalen Anfettung des Gemischs in der Vorkammer dient. Durch die Gemischanfettung werden einerseits die Zündbedingungen in der Vorkammer verbessert und andererseits als Folge einer schnellen Energieumsetzung in der Vorkammer, in Verbindung mit vorzugsweise mehreren Überströmkanälen der Vorkammer, Fackelstrahlen mit sehr hoher Austrittsgeschwindigkeit erzeugt. Die Erfindung betrifft zudem zur Durchführung des Verfahrens dienende Vorrichtungen.
  • Verfahren zur Entflammung von mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen bei einem Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündung und Kraftstoff-Direkteinspritzung zur Erzeugung einer gewünschten Gemischanfettung in der Vorkammer sind nach dem Stand der Technik bekannt ( DE 19714796 ). Bei dem genannten Verfahren wird mit einer Hochdruckeinspritzung eine zur Gemischanfettung verwendete Kleinmenge des Kraftstoffs (vorzugsweise weniger als 5 % der insgesamt zugeführten Kraftstoffmenge) während des Verdichtungshubs in eine Kolbenmulde gespritzt, wobei nachfolgend durch das Eintauchen der Vorkammer in die Kolbenmulde bei Annäherung des Kolbens an den Oberen Totpunkt (OT) der Kraftstoff weitgehend flüssig oder teilweise verdampft und mit Brennraumgas vermischt über die Überströmkanäle in die Vorkammer gesaugt und dort nachfolgend nach Anreicherung des Gemischs in der Vorkammer durch einen Zündfunken entflammt wird. Die Hauptmenge des Kraftstoffs (vorzugsweise mehr als 95 % der Gesamtmenge) wird bei diesem Verfahren während des Ansaughubs mit der Hochdruckeinspritzung mit dem gleichen Einspritzventil in den Brennraum eingespritzt.
  • Um bei dem Verfahren für beide Einspritzvorgänge voll befriedigende Eigenschaften zu erhalten ist es notwendig, eine Einspritzdüse mit variablen Einspritzstrahlbildern zu verwenden. Dabei muss der Einspritzstrahl zur Einspritzung der Kleinmenge während des Verdichtungshubs sehr kompakt sein, wohingegen er bei der Haupteinspritzung während des Saughubs eine möglichst weit aufgefächerte Struktur aufweisen sollte. Einspritzventile mit solchen Merkmalen sind teuer und störungsanfällig. Eine befriedigend genaue Einstellung der Kleinmenge ist aufwändig und wird zweckmäßig in Verbindung mit einer Regelung der Gemischzusammensetzung in der Vorkammer zum Zündzeitpunkt durchgeführt ( DE 19819197 ).
  • Weiterhin wird bei dem Verfahren wegen der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit zwischen der Einspritzung der Hauptmenge während des Saughubs und der Zündung in der Vorkammer die Gemischbildung zwischen dem direkt eingespritzten Kraftstoff und der Verbrennungsluft im Vergleich zu dem Fall, bei dem der Kraftstoff in das Saugrohr eingespritzt wird, sehr erschwert. Zudem ist bekannt, dass im Fall der Saugrohreinspritzung durch wirksame Zusatzmaßnahmen, wie zum Beispiel eine variable Saugrohrgeometrie oder variable Ventilsteuerung (z.B. Ventilhubsteuerung), die Gemischbildung besonders gut im gewünschten Sinn beeinflusst werden kann.
  • Insbesondere verlangt das verwendete Hochdruck-Einspritzverfahren eine aufwändige Hochdruck-Kraftstoffpumpe mit einer Kraftstoff-Hochdruckverteilung auf die einzelnen Einspritzventile. Die für der Pumpe benötigte Antriebsleistung vermindert zudem den effektiven Wirkungsgrad bzw. die maximale Leistung des Motors. Dieses Problem wird in jüngerer Zeit noch dadurch verstärkt; dass zur Verbesserung der Gemischaufbereitung die Steigerung der Systemdrücke von heute ca. 80 – 120 bar auf 200 – 400 bar angestrebt wird.
    •
  • Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Verfahren mit Vorkammerzündung, bei dem zur Verbesserung der Zündbedingungen eine Anreicherung des Gemischs mit Kraftstoff in der Vorkammer durch eine Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum erzeugt um damit eine Verbesserung der Zündung zu bewirken, den Herstellungsaufwand und die Kosten zu senken, die Funktionssicherheit zu verbessern und gleichzeitig die Schadstoffemissionen sowie den Kraftstoffverbrauch zu vermindern und insbesondere die Verluste bei der Erzeugung eines hohen Kraftstoffeinspritzdrucks zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Kraftstoffzumessung für die Kleinmenge durch eine Niederdruck-Direkteinspritzung in den Brennraum erfolgt und das Hauptgemisch im Brennraum aber durch eine Saugrohreinspitzung gebildet wird. Der Kraftstoff wird dabei aus einem gemeinsamen Tank entnommen und unter einem im Wesentlichen gleichen System-Niederdruck den Einspritzventilen am Saugrohr (Saugrohreinspritzung) und Zylinderkopf (Direkteinspritzung) zugeführt. Der Systemdruck bzw. Kraftstoffdruck vor den Ventilen ist dabei kleiner als 20 bar, insbesondere kleiner als 10 bar.
  • Um mit einfachen Mitteln eine verbesserte Gemischaufbereitung und spätere Einspritzung der Kleinmenge zu ermöglichen, enthält das dazu verwendete Ventil eine Einrichtung zur Druckverstärkung. Damit kann z.B. bei einem Systemdruck des Kraftstoffs von 5 bar ein Abspritzdruck von z.B. von 15 bar erzeugt werden.
  • Die Direkteinspritzung der Kleinmenge zur Gemischanreicherung in der Vorkammer erfolgt nach einem bekannten Verfahren mit Hochdruckeinspritzung ( DE19714796 ) in Richtung auf eine Kolbenmulde, wobei nachfolgend der dort befindliche Kraftstoff nach Eintauchen der Vorkammer in die Kolbenmulde flüssig und/oder verdampft und mit Brennraumgas vermischt über Überströmkanäle in die Vorkammer gesaugt und in dieser gezündet wird. Wegen des niedrigen Abspritzdrucks bei der Direkteinspritzung muss die Einspritzung hier aber sehr viel früher durchgeführt werden, damit zur Gewährleistung eines ausreichenden Differenzdrucks für die Direkteinspritzung am Ventil, der Brennraumdruck nicht zu groß wird. Vorzugsweise erfolgt deshalb die Einspritzung bei einem Kurbelwinkel größer als 90° vor dem Oberen Totpunkt (OT), wobei wegen des großen Abstands von Einspritzventil und Kolbenmulde der Einspritzstrahl besonders schlank ausgebildet ist (kleiner als 25°).
  • Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren ist der Einspritzstrahl für die Kleinmenge für die Gemischanreicherung in der Vorkammer im Wesentlichen in Richtung auf die Vorkammer selbst gerichtet, wobei der Kraftstoff flüssig und/oder verdampft und mit Brennraumgas vermischt über Überströmkanäle in die Vorkammer gesaugt und in dieser gezündet wird. Auch hier erfolgt die Einspritzung aus vorgenanten Gründen während des ersten Teils des Verdichtungstaktes. Hierbei besitzt die Vorkammer ebenfalls eine Vielzahl Überströmkanäle, wobei mindesten ein Überströmkanal, der vorzugsweise in mehreren Ebenen angeordneten Überströmkanäle, vom Kraftstoffstrahl der direkt eingespritzten Kleinmenge getroffen wird. Die Überströmkanäle sind dabei vorteilhaft im vorderen Teil konisch ausgebildet. Die Vorkammer ist insbesondere Teil einer Vorkammer-Zündkerze.
  • Damit Fertigungsstreuungen und Alterungserscheinungen kompensiert werden können, wird die Kleinmenge und damit die Gemischzusammensetzung in der Vorkammer direkt oder indirekt geregelt. Dabei wird insbesondere die Gemischzusammensetzung zum Zündzeitpunkt durch Messung des Ionenstroms in der Vorkammer an den Zündelektroden nach dem Einleiten der Zündung bestimmt.
    •
  • Beschreibung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen beispielhaften Vierzylinder Verbrennungsmotor mit jeweils 4 Vorkammern bzw. Vorkammerzündkerzen sowie Einspritzventilen für die Saugrohreinspritzung und Einspritzventilen für die Kleinmengen-Direkteinspritzung und der Kraftstoffversorgung für die insgesamt 8 Einspritzventile.
  • 2 einen Schnitt durch den Brennraum eines Zylinders, mit Vorkammerzündeinrichtung, Einspritzventil und Einspritzstrahl für die Kleinmenge in Richtung auf eine Kolbenmulde.
  • 3 einen Schnitt durch den Brennraum eines Zylinders, mit Vorkammerzündeinrichtung, Einspritzdüse und Einspritzstrahl für die Kleinmenge in Richtung auf die Vorkammer.
  • 4 einen Teilschnitt durch die Vorkammerzündeinrichtung für die Anordnung mit Einspritzstrahl für die Kleinmenge in Richtung auf die Vorkammer.
  • 1 zeigt beispielhaft einen Vierzylinder Verbrennungsmotor (1) mit der jeweiligen Vorkammerzündung (2) und den 4 Einspritzventilen für die Saugrohreinspritzung (3) und die Kleinmengen-Direkteinspritzung (4). Die Kraftstoffversorgung erfolgt dabei vom Tank (5) ausgehend über eine Niederdruck-Förderpumpe (6) mit parallel zwischen der Druckseite der Pumpe und dem Tank angeordnetem Druckregler (7). Die Ventile für die Saurohr- und die Kleinmengen-Direkteinspritzung (3, 4) werden über Kraftstoffleitungen (8, 9) und über Abzweigungen (10, 11) mit Kraftstoff versorgt.
  • 2 zeigt einen Schnitt durch einen Brennraum (12) eins Zylinders des Motors mit Zylinderkopf (13), Motorblock (14), Kolben (15) und Kolbenmulde (16). Die Direkteinspritzung der Kleinmenge zur Gemischanreicherung in der Vorkammer mit einem Kleinmengen-Niederdruck-Einspritzventil (17) erfolgt in Anlehnung an ein bekanntes Verfahren mit einer Hochdruckeinspritzung ( DE19714796 ), wobei der Kraftstoffstrahl (18) einen sehr kleinen Ausbreitungswinkel aufweist. Der Stahl ist im Wesentlichen in Richtung auf die Kolbenmulde (16) gerichtet, wobei der Kraftstoff sich dort teilweise anlagert oder sich verdampft im Bereich um die Mulde herum befindet. Nach dem Eintauchen der Vorkammer (19) in die Kolbenmulde, als Folge der Kolbenbewegung im Verdichtungstakt, wird der Kraftstoff flüssig und/oder verdampft und mit Brennraumgas vermischt und über die Überströmkanäle (20) in die Vorkammer gesaugt und in dieser gezündet. Die Vorkammer ist vorzugsweise Teil einer Vorkammerzündkerze (21).
  • Damit der Kraftstoff des Einspritzstrahls (18) bei dem zur Verfügung stehenden niedrigen Kraftstoffsystemdruck einen für die Einspritzung ausreichenden Differenzdruck zwischen dem Abspritzdruck und dem Brennraumdruck eine ausreichende Eindringtiefe aufweist, muss die Einspritzung zu einem möglichst frühen Zeitpunkt des Verdichtungstaktes, d.h. bei niedrigem Brennraumdruck, insbesondere früher als 90° KW vor OT, erfolgen. Um dabei sicher auch eine größere Entfernung zwischen dem Ventil und der Kolbenmulde zu überwinden, ist es vorteilhaft, den Abspritzdruck gegenüber dem Kraftstoffsystemdruck zu erhöhen. Dazu besitzt das für die Einspritzung der Kleinmenge verwendete Ventil (17) eine Einrichtung zur Druckverstärkung, vorzugsweise mit Stufenkolben,
  • 3 zeigt einen Schnitt durch einen Brennraum (12') eins Zylinders des Motors mit Zylinderkopf (13'), Motorblock (14') und Kolben (15'), wobei der Einspritzstrahl (18') des Ventils (17') für die Kleinmenge im Wesentlichen in Richtung auf die Vorkammer (19') gerichtet ist. Nachfolgend wird der Kraftstoff flüssig und/oder verdampft und mit Brennraumgas vermischt über eine Vielzahl Überströmkanäle in die Vorkammer gesaugt und in dieser gezündet.
  • Damit eine möglichst große Menge des abgespritzten Kraftstoffs über die Überströmkanäle in die Vorkammer gelangt, ist der Kraftstoffstrahl hier weiter aufgefächert als im ersten Fall, wobei mehrere Überströmkanäle vom Kraftstoff unmittelbar getroffen werden. Wegen der kleineren Entfernung zwischen Einspritzventil (17') und Vorkammer (18') weist der Einspritzstrahl für die Kleinmenge vorzugsweise einen Kegelwinkel von größer als 15° auf. Damit auch hier der Kraftstoffstrahl (18') bei dem zur Verfügung stehenden niedrigen Kraftstoffsystemdruck eine ausreichende Eindringtiefe besitzt, muss die Einspritzung zu einem frühen Zeitpunkt des Verdichtungstaktes, d.h. insbesondere früher als 90° KW vor OT, erfolgen. Zudem besitzt das für die Einspritzung der Kleinmenge verwendete Ventil (17') auch hier vorteilhaft eine Einrichtung zur Druckverstärkung.
  • 4 zeigt einen Teilschnitt durch die Vorkammer (19'') sowie den vorderen Teil des Einspritzstrahls (18'') nach 3. Dabei besitzt die Vorkammer mehrere Überströmkanäle (20''), von denen mindestens einer vom direkt eingespritzten Kleinstmengen- Kraftstoffstrahl zumindest teilweise getroffen wird. Die Überströmkanäle sind dabei insbesondere im vorderen Teil konisch ausgebildet (22) , so dass der Kraftstoff der nicht direkt in das innere der Vorkammer (23) gelangt, aber im konischen Bereich (22) auftrifft, nachfolgend durch das während des Verdichtungstakts in das Innere der Vorkammer strömende magere Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Hauptbrennraum 12'' mitgerissen und in die Vorkammer transportiert wird. Dabei wird in der Vorkammer (23) ein besonders gut zündfähiges Gemisch gebildet. Nach Funkenzündung des „angefetteten" Gemischs in dem hier beispielhaft radial ausgebildeten Elektrodenspalt (24) innerhalb der Vorkammer (23), kommt es in der Vorkammer zu einer sehr schnellen Energieumsetzung des angefetteten Gemischs, wodurch eine Vielzahl von Fackelstrahlen mit besonders hoher Austrittsgeschwindigkeit erzeugt werden. Um dabei die Energieumsetzung im Zentrum des Hauptbrennraums (12'') zu verbessern, ist im vorderen Bereich der Vorkammer ein weiterer Überströmkanal (25) angeordnet.
  • Die Gemischzusammensetzung in der Vorkammer wird direkt oder indirekt bestimmt und zur Regelung verwendet, wobei vorzugsweise die Gemischzusammensetzung zum Zündzeitpunkt an der Zündstelle optimal eingestellt wird. Als Messgröße kommen dabei insbesondere in der Vorkammer selbst bestimmte Messsignale in Frage, wobei der nach dem Einleiten der Zündung bestimmte Ionenstrom eine erfolgreich erprobte Größe ist, die sich zur Regelung der Kleinmenge besonders gut eignet ( DE19714796 ).

Claims (19)

  1. Verfahren zur Zündung eines Verbrennungsmotors mit einer Vorkammerzündung, wobei eine Kleinmenge eines flüssigen Kraftstoffs zur Anreicherung des Gemischs in der Vorkammer durch eine Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Hauptbrennraum gebildet wird, wobei sich zum Zeitpunkt der Einspritzung bereits ein zumindest teilweise homogenes Hauptgemisch im Hauptbrennraum befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzumessung für das Hauptgemisch im Saugrohr durch eine Saugrohreinspitzung erfolgt und der Kraftstoff für das Hauptgemisch gemeinsam mit der Verbrennungsluft über einen oder mehrere Einlasskanäle dem Brennraum zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmenge und die Kleinmenge des Kraftstoffs einem gemeinsamen Tank entnommen werden und wobei eine Niederdruckpumpe für die Druckerhöhung der Hauptmenge und der Kleinmenge bei Förderung aus dem Kraftstofftank verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmenge und die Kleinmenge des Kraftstoffs vor den Einspritzventilen unter einem im Wesentlichen gleichen System-Niederdruck stehen,.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der System-Niederdruck kleiner als 20 bar, insbesondere kleiner als 10 bar ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Einspritzung der Kleinmenge verwendete Einspritzventil eine Druckverstärkereinrichtung, vorzugsweise mit Stufenkolbenanordnung, besitzt, mit der der Abspritzdruck gegenüber dem System-Niederdruck erhöht wird.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzstrahl für die Kleinmenge zur Gemischanreicherung in der Vorkammer im Wesentlichen in Richtung auf eine Kolbenmulde gerichtet ist, wobei sich der Kraftstoff dort teilweise anlagert und nachfolgend nach Eintauchen der Vorkammer in die Kolbenmulde zu wesentlichen Anteilen flüssig und/oder verdampft und mit Brennraumgas vermischt über Überströmkanäle in die Vorkammer gesaugt und in dieser gezündet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der Einspritzstrahl einen Kegelwinkel von vorzugsweise kleiner als 25° aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzstrahl für die Kleinmenge für die Gemischanreicherung in der Vorkammer im Wesentlichen in Richtung auf die Vorkammer gerichtet in den Brennraum eingespritzt wird, wobei nachfolgend der Kraftstoff flüssig und/oder verdampft und mit Brennraumgas vermischt über Überströmkanäle in die Vorkammer gesaugt und in dieser gezündet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspritzstrahl für die Kleinmenge einen Kegelwinkel von vorzugsweise größer als 15° aufweist.
  10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 – 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzung während eines ersten Teils des Verdichtungstaktes, vorzugsweise bei einem Kurbelwinkel größer als 90° vor dem Oberen Totpunkt (OT) erfolgt.
  11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer eine Vielzahl Überströmkanäle enthält.
  12. Anordnung nach den Ansprüchen 11 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Überströmkanäle von dem direkt eingespritzten Kleinstmengen Kraftstoffstrahl zumindest teilweise getroffen wird.
  13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Überströmkanäle in Richtung auf den Kraftstoffstrahl teilweise konisch ausgebildet ist.
  14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Überströmkanäle in Richtung auf den Kraftstoffstrahl teilweise konisch ausgebildet ist, wobei zum Inneren der Vorkammer hin ein Abschnitt zylindrisch ausgebildet ist.
  15. Anordnung nach den Ansprüchen 1 – 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer Teil einer Vorkammer-Zündkerze ist.
  16. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischzusammensetzung in der Vorkammer direkt oder indirekt bestimmt und zur Regelung verwendet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischzusammensetzung in der Vorkammer zum Zündzeitpunkt bestimmt und zur Regelung verwendet wird.
  18. Verfahren nach den Ansprüchen 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Vorkammer selbst bestimmtes Messsignal zur Regelung der Kleinmenge des zugeführten Kraftstoffs verwendet wird.
  19. Verfahren nach einem Ansprüche 16 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischzusammensetzung in der Vorkammer durch Messung des Ionenstroms in der Vorkammer an den Zündelektroden nach dem Einleiten der Zündung bestimmt und die Größe zur Regelung der Kleinmenge des zugeführten Kraftstoffs verwendet wird.
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