DE102009026574A1 - Internal-combustion engine i.e. gas engine, has laser ignition device comprising ignition laser with ignition point, where ignition point lies in region of combustion chamber, in which flow rate at time of ignition is low - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine mit einer Laserzündeinrichtung ausgerüstete Brennkraftmaschine, insbesondere einen Gasmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a laser ignition device equipped internal combustion engine, in particular a gas engine, according to the preamble of claim 1.
Aus
der
Großgasmotoren werden üblicherweise dicht an der Magergrenze eines Luft-Kraftstoff-Gemischs betrieben, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen. Dabei muss beim Zünden ein stabiler Flammkern gebildet werden, damit danach das im Brennraum befindliche Luft-Kraftstoff-Gemisch möglichst rasch verbrannt wird. Speziell bei extrem mager betriebenen Gasmotoren ist es von höchster Bedeutung, die Brenndauer zu reduzieren und dadurch den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen. Als Brenndauer wird der Zeitraum definiert innerhalb dessen zwischen 10% und 90% der Energieumsetzung stattfindet.Large gas engines are usually operated close to the lean limit of an air-fuel mixture, to achieve a good efficiency. It must when ignition a stable flame core are formed, so that afterwards in the combustion chamber air-fuel mixture burned as quickly as possible becomes. Especially with extremely lean-burned gas engines, it is of of utmost importance to reduce the burning time and thereby to increase the efficiency of the engine. As burning time the period is defined within that between 10% and 90% the energy conversion takes place.
Bei konventionellen Hochspannungszündungen mit Zündkerzen ist der Zündort zwangsweise in der Nähe des Brennraumdachs, so dass sich die Flamme in erster Näherung halbkugelförmig in den Brennraum in Richtung des Kolbenbodens ausbreitet. Dadurch ist die Brenndauer vergleichsweise lang. Um dieser langen Brenndauer entgegen zu wirken, werden heutzutage Brennkraftmaschinen oft als Kurzhuber, das heißt mit einem Bohrungsdurchmesser, der größer als der Hub des Kolbens ist, ausgebildet. Dadurch werden die Flammwege in Richtung des Kolbens verkürzt. Damit trotzdem ein schneller Durchbrand des Gemischs erreicht, wird, muss eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und daraus resultierend eine hohe Turbulenz im Brennraum herrschen. Dies wird bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen durch Drallströmungen, Tumbleströmungen und/oder Quetschströmungen erreicht.at conventional high-voltage ignition with spark plugs if the ignition location is forcibly close to the combustion chamber roof, so that the flame in a first approximation hemispherical spreads into the combustion chamber in the direction of the piston crown. Thereby the burning time is comparatively long. To this long burning time Nowadays, internal combustion engines are often used as short-hoppers, that is with a bore diameter larger as the stroke of the piston is formed. This will make the flame paths shortened in the direction of the piston. Nevertheless, a fast burn through the mixture is achieved, must have a high flow rate and resulting high turbulence in the combustion chamber prevail. This is in conventional internal combustion engines by swirl flows, Tumbleströmungen and / or squish flows achieved.
Um diese Strömungen und die daraus resultierenden Turbulenzen zu erzeugen, entstehen erhebliche Strömungsverluste vor allem auf der Saugseite der Brennkraftmaschine und/oder es werden ungünstige Brennraumgeometrien benötigt, bei denen das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen groß ist, so dass hohe Wandwärmeverluste entstehen. Sowohl die Ladungswechselverluste als auch die Wandwärmeverluste verringern den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.Around these currents and the resulting turbulence generate considerable flow losses before Especially on the suction side of the engine and / or it will be unfavorable Required combustion chamber geometries in which the ratio between surface and volume is large, so that high wall heat losses occur. Both the charge exchange losses as well as the wall heat losses reduce the efficiency the internal combustion engine.
Bei der Ladungsbewegung im Zylinder, das heißt der Strömung des im Zylinder befindlichen Kraftstoffs-Luft-Gemisches, unterscheidet man in eine Drallströmung und eine Tumbleströmung. Als Drallströmung wird eine Drehbewegung der Ladung um die Zylinderachse bezeichnet, während als Tumbleströmung eine Drehbewegung der Ladung senkrecht zur Zylinderachse bezeichnet wird. Selbstverständlich gibt es auch Mischformen beider Strömungen. Der Vorteil der erhöhten Brenngeschwindigkeit liegt in der möglichen Gemischabmagerung und der damit verbundenen Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs.at the charge movement in the cylinder, that is the flow of the in-cylinder fuel-air mixture differs into a swirling flow and a tumble flow. As a swirling flow is a rotational movement of the charge to the cylinder axis indicates while as Tumbleströmung denotes a rotational movement of the charge perpendicular to the cylinder axis becomes. Of course, there are also mixed forms of both Currents. The advantage of the increased burning speed is in the possible Gemischabmagerung and the associated Reduction of specific fuel consumption.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine mit Laserzündeinrichtung, so weiterzuentwickeln, dass eine sichere und emissionsarme Verbrennung in verschiedenen Betriebspunkten, insbesondere auch bei einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch, bei gleichzeitig sehr gutem Wirkungsgrad gewährleistet ist.task the invention is an internal combustion engine with laser ignition device, to develop so that a safe and low-emission combustion in different operating points, especially in a lean Fuel-air mixture, at the same time very good efficiency is guaranteed.
Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit Zündlaser mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf jeweils explizit hingewiesen wird. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.The Task is by an internal combustion engine with ignition laser solved with the features of claim 1. For the Invention important features are further found in the following Description and in the drawing, the features in both Unique position as well as in different combinations for the invention may be important without wishing to do so is explicitly noted. Advantageous developments can be found in the subclaims.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Zündpunkt in einem Bereich des Brennraums gelegt wird, in dem die Strömungsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt der Zündung niedrig ist. Als niedrige Strömungsgeschwindigkeit wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine Strömungsgeschwindigkeit < 10 m/s, bevorzugt < 5 m/s angesehen. Dadurch ist es möglich, die Strömungsverluste im Luftsystem des Motors deutlich zu verringern und infolgedessen den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine deutlich zu erhöhen, ohne Einbußen hinsichtlich Schadstoffemission und Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine. Außerdem bleiben die Herstellungskosten der Brennkraftmaschine unverändert, so dass sich insgesamt eine sehr vorteilhafte und wirtschaftliche Verbesserung der Brennkraftmaschine ergibt.These The object is achieved according to the invention that the ignition point is placed in a region of the combustion chamber in which the flow velocity at the time the ignition is low. As low flow speed In the context of the invention, a flow rate <10 m / s, preferably <5 m / s is considered. This makes it possible to reduce the flow losses in the Air system of the engine to reduce significantly and consequently the Significantly increase the efficiency of the internal combustion engine, without any loss in terms of pollutant emission and operating behavior the internal combustion engine. In addition, the production costs remain the internal combustion engine unchanged, so that in total a very advantageous and economical improvement of the internal combustion engine results.
Im Zusammenhang mit der beanspruchten Erfindung ist darauf hinzuweisen, dass die zeitlich und örtlich hoch aufgelöste Ermittlung der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten im Brennraum einer Brennkraftmaschine heute zu den etablierten Untersuchungsmethoden gehören, die regelmäßig bei der Entwicklung von Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Dabei ist es beispielsweise möglich, durch eine rechnergestützte Simulation der Strömungsgeschwindigkeit (CFD) die gewünschte Information über die Strömungsgeschwindigkeit in verschiedenen Bereichen des Brennraums zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu erhalten. Alternativ ist es auch möglich, die lokale Verteilung der Messungen durch eine Messreihe mit im Brennraum angeordneten Flügelrädern beziehungsweise Strömungsgeschwindigkeitssensoren zu erfassen. Insgesamt ist somit die Ermittlung der Geschwindigkeitsverteilung mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung im Brennraum ein heute etabliertes Verfahren, das daher im Zusammenhang mit der beanspruchten Erfindung nicht gesondert erläutert werden muss. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Zündpunkts im Brennraum lassen sich verschiedene Optimierungsstrategien verfolgen, mit denen der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verbessert wird.In connection with the claimed invention is to be noted that the temporally and spatially highly resolved determination of the local flow velocities in the combustion chamber of an internal combustion engine today belong to the established investigation methods that are regularly used in the development of internal combustion engine the. In this case, it is possible, for example, to obtain the desired information about the flow velocity in different regions of the combustion chamber at different times by means of a computer-aided simulation of the flow velocity (CFD). Alternatively, it is also possible to detect the local distribution of the measurements by a series of measurements with impellers arranged in the combustion chamber or flow velocity sensors. Overall, therefore, the determination of the velocity distribution with high spatial and temporal resolution in the combustion chamber is a currently established method, which therefore does not need to be explained separately in connection with the claimed invention. The inventive arrangement of the ignition point in the combustion chamber, various optimization strategies can be followed, with which the efficiency of the internal combustion engine is improved.
Im sogenannten mageren Gasbetrieb, das heißt, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch unterstöchometrisch ist (λ > 1), werden die Drallströmung und/oder die Quetschströmung im Brennraum auf ein thermodynamisches Optimum gebracht, so dass die im Brennraum zum Zeitpunkt der Zündung vorhandene Turbulenz zum schnellen Durchbrand nach sicherer Zündung führt. Gleichzeitig werden die durch die Turbulenz verursachten Strömungsverluste im Saugrohr der Brennkraftmaschine minimiert. Nun wird der Zündlaser so angeordnet, dass dessen Zündpunkt in einem Bereich des Brennraums liegt, in dem eine Strömungsgeschwindigkeit von 10 m/s am Zündort zum Zündzeitpunkt nicht überschritten wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strömungsgeschwindigkeit am Zündort zum Zündzeitpunkt kleiner 5 m/s ist. Dabei kann eine sichere Entzündung realisiert werden und gleichzeitig wird durch die noch vorhandene Strömung und Turbulenz am Zündort der durch die Zündung entstandene Flammkern zum schnellen Durchbrand der übrigen Zylinderladung in den Brennraum getragen. Bei herkömmlichen Gasmotoren kann die Strömungsgeschwindigkeit am Zündort zum Zündzeitpunkt etwa 30 m/s–40 m/s betragen. Aus dem Vergleich der Strömungsgeschwindigkeiten wird das Potential der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine hinsichtlich verringerter Strömungsverluste und eines verbesserten Wirkungsgrads deutlich.in the so-called lean gas operation, that is, when the fuel-air mixture is substoichiometric (λ> 1), the swirl flow and / or the squish flow in the combustion chamber to a thermodynamic Brought optimum, so that in the combustion chamber at the time of ignition Existing turbulence for rapid burn-through after safe ignition leads. At the same time they are caused by the turbulence Flow losses in the intake manifold of the internal combustion engine minimized. Now the ignition laser is arranged so that its ignition point is located in a region of the combustion chamber in which a flow velocity of 10 m / s at the ignition point at the ignition point not exceeded becomes. It is particularly advantageous if the flow velocity at the ignition point at the ignition time is less than 5 m / s. In this case, a secure ignition can be realized and at the same time is due to the still existing flow and Turbulence at the ignition of the ignition caused by the ignition Flame core for fast burn through of the remaining cylinder charge carried in the combustion chamber. In conventional gas engines can the flow velocity at the ignition point for Zündzeitpunkt be about 30 m / s-40 m / s. Out the comparison of the flow velocities becomes the potential the internal combustion engine according to the invention in terms reduced flow losses and improved efficiency significantly.
Falls
gewünscht kann die Bildung des Flammkerns und der Durchbrand
durch den Einsatz von mehreren Zündimpulsen/Laserimpulsen
in den Flammkern realisiert werden. Möglich ist dies beispielsweise
dadurch, dass mehrere Laserimpulse im zeitlichen Abstand von bis
zu 100 μs in den Brennraum
In einem stöchometrischen Betrieb (λ = 1), wenn die Brennkraftmaschine beispielsweise mit einem Dreiwegekatalysator betrieben wird, ist die Optimierung der Brennkraftmaschine geringfügig anders. Da für die Entflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches unter Brennraumbedingungen nur eine minimale Zündenergie notwendig ist, ergeben sich bei dieser Betriebsart zwei Optimierungsmöglichkeiten.In a stoichometric operation (λ = 1) when the Internal combustion engine, for example, with a three-way catalyst is operated, the optimization of the internal combustion engine is slight different. As for the ignition of a fuel-air mixture under combustion chamber conditions only a minimal ignition energy is necessary, arise in this mode of operation two optimization options.
Entweder wird der Zündort, wie beim Magerbetrieb auch, in einen Bereich der Strömung positioniert mit bis zu 10 m/s. Durch eine Nachzündung nach einer Zeitdauer von bis zu 100 μs kann hier ebenfalls in denselben Flammkern gezündet werden und somit die Zündsicherheit erhöht werden. Dies ist bei Motoren mit schlecht homogenisiertem Gemisch vorteilhaft.Either the ignition point, as in lean operation also, in one Range of flow positioned at up to 10 m / s. By a Nachzündung after a period of up to 100 microseconds can be ignited here in the same flame kernel and thus the ignition safety can be increased. This is included Motors with poorly homogenized mixture advantageous.
Alternativ ist es auch möglich, bei einer Mehrfachzündung, wobei die verschiedenen Laserimpulse einen Zeitabstand größer als 100 μs haben oder durch die Wahl eines Zündpunkts mit größeren Strömungsgeschwindigkeiten als 10 m/s, eine Reihe von hintereinander in einem Stromfaden des Kraftstoff-Luft-Gemisches angeordneten Flammkernen zu erzeugen, die zu einem schnelleren Durchbrand des Zylindervolumens führen. Dadurch, dass sich bei dieser Zündstrategie mehrere Flammkerne unabhängig voneinander bilden und somit mehrere Flammfronten im Brennraum vorhanden sind, wird ein schnellerer Durchbrand des Brennraumvolumens erreicht.alternative it is also possible in a multiple ignition, wherein the different laser pulses a time interval larger than 100 μs or by choosing a firing point with higher flow rates as 10 m / s, a series of consecutively in a stream of thread Fuel-air mixture arranged flame cores to produce which lead to a faster burn through of the cylinder volume. As a result of this firing strategy several flame cores form independently and thus several flame fronts in the Combustion chamber are present, a faster burnout of the combustion chamber volume reached.
Beiden Optimierungspfaden, insbesondere beim Magerbetrieb als auch beim stöchometrischen Betrieb ist gemeinsam, dass der Zündort für jeden Brennraum einmal konstruktiv festgelegt und danach unverändert bleibt. Es ergeben sich lediglich Unterschiede in der Zahl und dem zeitlichen Abstand der Laserimpulse, so dass der beim Wechsel der Betriebsart, beispielsweise vom Magerbetrieb in den stöchometrischen Betrieb und umgekehrt lediglich die Steuerung der Laserzündeinrichtung entsprechend umgeschaltet werden muss. Dadurch sind sowohl im Magerbetrieb als auch im λ = 1 Betrieb die erfindungsgemäßen Vorteile vollumfänglich realisierbar.Both Optimization paths, especially in lean operation as well as in Stoichometric operation is common to that of the ignition Once structurally determined for each combustion chamber and then unchanged remains. There are only differences in the number and the time interval of the laser pulses, so that when changing the Operating mode, for example, from lean operation in the stoichiometric Operation and vice versa, only the control of the laser ignition device must be switched accordingly. As a result, both in lean operation as well as in λ = 1 operation the invention Advantages fully realizable.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sieht vor, den Zündpunkt so zu legen, dass er sich zum Zündzeitpunkt in der Nähe des Kolbenbodens oder in der Nähe des Bodens einer Kolbenmulde befindet. Da in unmittelbarer Nähe der Kolbenwand beziehungsweise des Bodens der Kolbenmulde wegen Newton'schen Haftbedingung zwangsläufig eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit herrscht, erreicht man auf einfache Weise einen Zündort mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Sobald der Flammkern sich räumlich ausgebildet hat, erreicht er zwangsläufig auch Bereiche mit größerer Strömungsgeschwindigkeit, die den Flammkern mitreißt und somit für einen raschen Durchbrand und kurze Brenndauer sorgt.A further advantageous embodiment of the invention Internal combustion engine provides to set the ignition point so that he is near the ignition at the time of ignition Piston crown or near the bottom of a piston recess located. Because in the immediate vicinity of the piston wall respectively the bottom of the piston recess due to Newton's adhesive condition inevitably a low flow rate prevails in a simple way a Zündort low flow velocity. Once the flame core has formed spatially, achieved he inevitably also areas with larger ones Flow velocity that entrains the flame kernel and thus for a quick burnout and short burning time provides.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung in den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.Further Advantages and advantageous embodiments of the invention are the subsequent drawing, the description and the claims removable. All in the drawing, the description in the claims disclosed features can be both individually, and in Any combination with each other essential to the invention.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft erläutert. Es zeigen:following Be with reference to the figures embodiments of the invention exemplified. Show it:
Eine
Brennkraftmaschine trägt in
Das
im Brennraum
Wie
aus
Der
Zündlaser
In
Der
Kolbenboden des Kolbens
Zwischen
Brennraumdach
Erfindungsgemäß kann
eine strömungstechnisch optimierte Brennkraftmaschine dadurch
weiter optimiert werden, dass der Zündpunkt ZP nicht nur
in Richtung der Längsachse
Diese
Verlagerung der Zündorte beziehungsweise Zündpunkte
relativ zum Mittelpunkt MP der Kolbenmulde
In
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE102009026574A Ceased DE102009026574A1 (en) | 2009-05-29 | 2009-05-29 | Internal-combustion engine i.e. gas engine, has laser ignition device comprising ignition laser with ignition point, where ignition point lies in region of combustion chamber, in which flow rate at time of ignition is low |
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