DE102005017186A1

DE102005017186A1 - Verfahren zur Verbesserung der Entflammungsbedingungen bei einem Vorkammer- Verbrennungsmotor mit Zündung in der Vorkammer

Info

Publication number: DE102005017186A1
Application number: DE102005017186A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Kuhnert; Reinhard Dr. Latsch; Georg Maul
Original assignee: Multitorch GmbH
Current assignee: Multitorch GmbH
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2006-10-19

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Entflammung bei einem Vorkammer-Verbrennungsmotor, insbesondere bei einer Vorkammerzündkerze, wobei das zum Zündzeitpunkt in der Vorkammer vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch insbesondere mit einem Zündfunken gezündet wird. Es werden Maßnahmen zur Entfernung des bei Kompressionsbeginn in der Vorkammer vorhandenen Restgases aus der Vorkammer angegeben, die bewirken, dass zum Zündzeitpunkt an der Zündstelle ein im Wesentlichen von diesem Restgas freies Gemisch vorhanden ist. Das Restgas wird dabei während des Kompressionstaktes des Motors in den hinteren Vorkammerbereich gedrängt und von dort über Ableitkanäle in einen Zwischenspeicher außerhalb der Vorkammer oder über Leitungen gesteuert in das Saugrohr abgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entflammung bei einem Vorkammer-Verbrennungsmotor mit Zündung in der Vorkammer, insbesondere bei einer Vorkammerzündkerze für mager betriebene Motoren. Dabei wird ein mageres Gemisch gasförmigen und/oder flüssigen Kraftstoffs oder ein fettes oder mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch während des Verdichtungstaktes der Vorkammer über Überströmkanäle oder separate Leitungen zugeführt. In der Vorkammer erfolgt vor einer Funkenzündung eine Vermischung der dort vorhandenen und der zugeführten Stoffströme, wobei an der Zündstelle zum Zündzeitpunkt eine möglichst homogenes Gemisch aus Kraftstoff und Luft erzeugt wird.

Vorkammerzündeinrichtungen, insbesondere Vorkammerzündkerzen, sind seit vielen Jahren bekannt (z.B. EP 0675272 ). In der einfachsten Version wird dabei während des Verdichtungstaktes ein insbesondere mageres Gemisch aus dem Hauptbrennraum über Überströmkanäle in die Vorkammer gefördert um dort entzündet zu werden. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, dass das vor der Verdichtung in der Vorkammer vorhandene und bereits ausgebrannte „Restgas" durch eine entsprechende Strömungsführung in einen Kammerbereich außerhalb der Zündstelle(n) gedrängt wird.

In neuerer Zeit wurden Lösungen vorgeschlagen, bei denen durch eine Anreicherung des aus dem Hauptbrennraum über Überströmkanäle zugeführten mageren Gemischs mit Kraftstoff verbesserte Zündungs- und Entflammungseigenschaften erreicht werden. In DE 19714796 wird dazu vorgeschlagen, eine zunächst in eine Kolbenmulde eingespritzte kleine Kraftstoff menge durch Eintauchen der Vorkammerzündkerze in die Kolbenmulde in die Vorkammer zu überführen.

In Anlehnung an vorgenannte Lösung wird in DE 102004039818 für flüssigen Kraftstoff und in DE 102004043143 für gasförmigen Kraftstoff vorgeschlagen, eine Gemischanreicherung mit Kraftstoff in der Vorkammer dadurch zu erreichen, dass eine ebenfalls direkt eingespritzte kleine flüssige bzw. gasförmige Menge Kraftstoff einseitig auf den vorderen Teil der Vorkammerzündkerze mit einer Vielzahl von Bohrungen gerichtet wird, wobei die Bohrungen entgegen der Strahlrichtung des Kraftstoffs konisch erweitert sind, um einen möglichst großen Anteil des während des Verdichtungstaktes eingespritzten Kraftstoffs in die Kammer gelangen zu lassen.

Nach DE 10016558 erfolgt die Gemischanreicherung des Gemischs in der Vorkammer durch die direkte Zufuhr von Kraftstoff nicht vom Hauptbrennraum aus, sondern von außen über eine dünne Kapillare, wobei zur Verteilung auf die zylindrische Vorkammer ein Ringkanal dient, der um die Vorkammer herum angeordnet ist.

Bei allen genannten Verfahren wird das Ziel verfolgt, im Elektrodenspalt der Zündeinrichtung zum Zündzeitpunkt ein möglichst von Restgas freies Gemisch aus Kraftstoff und Luft zu erzeugen, wobei für die Fälle mit Gemischanreicherung in der Vorkammer eine Luftzahl an der Zündstelle von näherungsweise Lambda = 1,0 angestrebt wird, bei der sich besonders gute Zündbedingungen ergeben.

Der Restgasanteil an der Zündstelle ist bei den genannten Verfahren dann besonders gering, wenn das bei Kompressionsbeginn allein in der Vorkammer vorhandene und weitgehend ausgebrannte Restgas durch den Kompressionsvorgang durch das in die Vorkammer eintretende Frischgemisch in den hinteren Teil der Vorkammer und damit hinter die Zündstelle gedrängt wird, wobei sich aber die Zündstelle aus konstruktiven Gründen in der hinteren Hälfte der i.A. im Wesentlichen zylindrischen Vorkammer befindet. Anzustreben ist hierbei eine gute Spülung des Bereichs bis hinter die Zündstelle durch das Frischgemisch. Das aber ist durch die Bauraumbegrenzung für die Vorkammer, durch begrenzte Möglichkeiten der Beeinflussung der Strömungsverhältnisse in der zylindrischen Vorkammer sowie insbesondere durch die begrenzte Einragelänge der im oberen Bereich der Zündeinrichtung angeordnete Zündelektrode(n) in die Vorkammer hinein bisher nicht befriedigend zu realisieren, da die Einragetiefe der Zündelektroden mit Trägerelektrode sowie dem teilweise diese umgebenden Keramik-Steinfuß sehr kurz sein muss, um Glühzündungen und einen hohen thermischen Verschleiß der Elektroden zu vermeiden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb nach Vorstehendem darin, eine verbesserte Spülung der Vorkammer bis einschließlich in den Bereich der Zündelektroden hinein mit einem besonders zündwilligen Gemisch von Kraftstoff und Luft zu erreichen. Die verbesserte Spülung sollte sowohl in den Fällen ohne Ladungsschichtung, d.h. bei alleiniger Verwendung des aus dem Hauptbrennraum zuströmenden mageren homogenen Gemischs als auch in den Fällen realisiert werden, in denen eine Gemischanfettung (Ladungsschichtung) in der Kammer durch die Zufuhr von Kraftstoff und/oder einem „fetten" Kraftstoff-Luftgemisch über Zulaufbohrungen in die Kammer von außen oder über die Überströmkanäle aus dem Hauptbrennraum erfolgt. Weiterhin soll die thermische Belastung der Brennraumnahen Bauteile gering und die Herstellung der Anordnungen einfach und kostengünstig sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem das bei Kompressionsbeginn in der Vorkammer befindliche Restgas während des Kompressionsvorgangs über im hinteren Bereich der Zündkammer und insbesondere hinter der Zündstelle befindliche Austrittskanäle möglichst weitgehend aus der Vorkammer entweichen kann. Dabei kann das entweichende Restgas entweder in einem Zwischenspeicher gespeichert werden, um nachfolgende nach der Energieumsetzung und dabei insbesondere während und nach dem Expansionstakt wieder in die Vorkammer zu strömen, oder das Restgas kann über ein Steuerventil insbesondere in das Saugrohr gelenkt werden, um nachfolgend wieder mit der dem Motor zugeführten Luft bzw. mit dem dem Motor zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisch, wieder dem Brennraum bzw. den Brennräumen des Motors zugeführt zu werden.

Einzelheiten
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Anordnung in Form einer Vorkammerzündkerze mit Überströmkanälen und Zuführung eines insbesondere mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer, wobei das entweichende Restgas aus dem hinteren Teilbereich der Vorkammer in einem Zwischenspeicher gespeichert wird.
2 einen Schnitt durch eine Anordnung in Form einer Vorkammerzündkerze mit Überströmkanälen und Zuführung eines insbesondere mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer, wobei das entweichende Restgas über ein Ableitsystem mit Steuerventil aus dem hinteren Teilbereich der Vorkammer in das Saugrohr gelenkt wird
und
3 zeigt einen Schnitt A-A durch die Vorkammerzündkerze.
1 zeigt den Vorkammerbereich (1) einer im Wesentlichen zylindrischen Vorkammerzündkerze (2) mit Überströmkanälen (3) für das insbesondere magere Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Hauptbrennraum (4) im vorderen Bereich und die Abführeinrichtung für das entweichende Restgas aus dem hinteren Teilbereich der Vorkammer mit Ableitkanälen (5) in einen ringförmigen Zwischenspeicher (6). Die Ableitkanäle (5) sind dabei vorteilhaft im hinteren, sich erweiternden Bereich der Vorkammer angeordnet. Das über die Ableitkanäle in Verbindung mit einer Ausspülung in den ringförmigen Zwischenspeicher (6) entweichende Restgas strömt dabei nach dem Druckabfall in der Vorkammer während des Expansionstaktes wieder weitgehend in die Vorkammer zurück. Die Öffnungen der Ableitkanäle im sich erweiterten hinteren Bereich der Vorkammer sind dabei insbesondere so angebracht, dass sie den sich bei der Verdichtung des Gemischs sich dort ausbildenden symmetrischen Rückströmwirbel des Restgases (7) auszunutzen.
Der Zwischespeicher (6) ist hier beispielhaft ringförmig ausgebildet, um eine einfach herstellbare Anordnung zu erhalten, wobei die Herstellung z.B. mit der Herstellung des Zündkerzengewindes (8) innerhalb des Zylinderkopfes des Motors (9) verbunden werden kann. Der Kühlwasserraum (10) sollte möglichst dicht an den Speicherraum (6) angrenzen, um die Wärmebelastung der Vorkammerzündkerze (2) und des Zylinderkopfes (9) gering zu halten.
Wie in bereits bekannten anderen Anordnungen von Vorkammerzündeinrichtungen ist die Vorkammer (2) z.B. als Wirbelkammer mit tangential einmündenden Überströmkanälen (3) ausgebildet, wobei ein zentraler Elektrodenträger (11) mehrere dünne Einzelelektroden (12) trägt, die zur im Wesentlichen zylindrischen Vorkammerwand (13) hin gerichtet sind und dabei mehrere Funkenstrecken (14) bilden.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der im Wesentlichen zylindrischen Vorkammerzündkerze (2') mit Vorammer (1') und Überströmkanälen (3') der Abführungseinrichtung für das Restgas aus dem hinteren Teilbereich der Vorkammer über an der Oberseite des hinteren Bereichs der Vorkammer einmündende Ableitkanäle (15) mit nachgeschaltetem Ringkanal (16) und einer Leitung (17), über die das Restgas über ein Steuerventil (18) und einem Anschluss (19), insbesondere zum Saugohr des Motors (20) geführt wird. An Stelle des Saugrohres kann das Spülgemisch auch zur Abgasanlage (insbesondere vor einen Katalysator), zu einem anderen Zylinder oder zu einem anderen Gassystem des Motors oder Fahrzeugs gelenkt werden.
Das z.B. elektromagnetisch betätigte Steuerventil wird mit einer Steuereinheit (21) insbesondere getaktet angesteuert, wobei bei Öffnung des Ventils das Restgas aus dem hinteren Bereich der Vorkammer (insbesondere während der frühen Phase des Verdichtungstaktes) ausgespült wird. Die Steuereinheit berücksichtigt bei der Steuerung des Ventils als Eingangsgrößen (22) insbesondere den Kurbelwinkel des Motors. Eine weitere Eingangsgröße ist z.B. die Kühlwassertemperatur des Motors. Der Anschluss (19) für das Spülgas am Saugrohr ist vorteilhaft hinter der Drosselklappe (23) angebracht.
3 zeigt einen Schnitt A-A nach 2 durch die Vorkammerzündkerze in Höhe des Hinterstich für das Zündkerzengewinde mit mehreren Ableitkanälen (15) in Längsrichtung der Vorkammerzündkerze.

Claims

Verfahren zur Entflammung bei einem Vorkammer-Verbrennungsmotor mit Zündung in der Vorkammer, insbesondere bei einer Vorkammerzündkerze, wobei zum Zündzeitpunkt in der Vorkammer vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorkammer Maßnahmen zur Entfernung des dort bei Kompressionsbeginn vorhandenem Restgas ergriffen werden, so dass zum Zündzeitpunkt an der Zündstelle im Elektrodenspalt der Zündeinrichtung ein im Wesentlichen von diesem Restgas freies Gemisch vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas durch Strömungsmaßnahmen in den Vorkammerbereich in den hinteren Bereich der Vorkammer, d.h. hinter die Zündstelle gedrängt wird und von dort zumindest teilweise über einen oder mehrere Ableitkanäle abströmt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas in einen außerhalb der Vorkammer befindlichen Zwischenspeicher über einen oder mehrere Ableitkanäle abströmt und nach einem Druckabfall in der Vorkammer während des Expansionstaktes, wieder über die Kanäle in die Vorkammer zurückströmt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher ringförmig ist und die Vorkammerzündeinrichtung umgibt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher ringförmig ist und das Einschraubgewinde einer Vorkammerzündkerze umgibt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Ableitkanäle von der Vorkammer im Wesentlichen im äußeren und erweiterten hinteren Bereich der Vorkammer angebracht sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen der Leitkanäle im Wesentlichen im Bereich des sich bei der Verdichtung im sich erweiternden hinteren Bereich ausbildenden symmetrischen Rückströmwirbels des Restgases angeordnet sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas aus der Vorkammer in einen Bereich außerhalb der Vorkammeranordnung bleibend abströmt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas aus der Vorkammer in das Saugrohr bleibend abströmt, wobei die Zufuhr insbesondere hinter einer Drosselklappe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas aus der Vorkammer zu einem anderen Zylinder oder einem anderen Gassystem des Motors oder des Fahrzeugs bleibend abströmt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas aus der Vorkammer über einen oder mehrere Abströmkanäle, einem nachgeschalteten Ringkanal und eine Leitung bleibend abströmt.
Verfahren nach den Ansprüchen 8–11 dadurch gekennzeichnet, dass das Restgas aus der Vorkammer gesteuert abströmt, wobei eine Steuerung der abfließenden Menge in Abhängigkeit von mindestens einem Motorparameter durch Eingriff in den Leitungsquerschnitt durchgeführt wird.
verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung getaktet mit Hilfe eines schnell schaltenden Magnetventils durchgeführt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung mit Hilfe eines Steuergeräts getaktet und mindestens in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel des Motors erfolgt.
Verfahren nach den Ansprüchen 12–14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung mit Hilfe eines Steuergeräts getaktet und zusätzlich in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur des Motors erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorstehen Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorkammer ein über Überströmkanäle in die Vorkammer einströmendes mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch, z.B. nach EP 0 675 272 , entflammt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorstehen Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorkammer ein über Überströmkanäle in die Vorkammer einströmendes fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch, z.B. nach DE 19714796 , entflammt wird, das mit Hilfe einer Kraftstoff-Direkteinspritzung einer Kleinstmenge Kraftstoff in die Kolbenmulde im Hauptbrennraum erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorstehen Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorkammer ein über Überströmkanäle in die Vorkammer einströmendes fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch, z.B. nach DE 102004039818 oder DE 102004043143 , entflammt wird, das mit Hilfe einer direkt in Richtung auf den vorderen Teile einer Vorkammer gerichteten Kraftstoff-Direkteinspritzung erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorstehen Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gemischanreicherung des Gemischs mit Kraftstoff in der Vorkammer durch die direkte Zufuhr von Kraftstoff oder einem Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Vorkammer von außerhalb des Hauptbrennraums über eine Leitung mit Steuerventil erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischanreicherung des Gemischs in der Vorkammer durch die direkte Zufuhr von Kraftstoff über eine dünne Kapillare erfolgt (z.B. nach DE 10016558 ), wobei eine Verteilung auf die zylindrische Vorkammer insbesondere durch einen Ringkanal erfolgt, der um die Vorkammer herum angeordnet ist.