DE102017218836B4 - Method and ignition device for igniting a fuel mixture - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkammer (11) eines Verbrennungsmotors (1) mit einer Zündeinrichtung (20), wobei die Zündeinrichtung (20) eine Vorkammer (21) aufweist, welche über wenigstens eine Überströmöffnung (22) mit der Brennkammer (11) verbunden ist und in welcher eine Funkenzündeinrichtung (23) zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Funke der Funkenzündeinrichtung (23) auf einem für die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Vorkammer (21) geeigneten kontinuierlichen Funkenstromniveau (32) für eine vorbestimmte Funkendauer (31) aufrecht erhalten wird, um die Initialflamme zu stabilisieren.Method for igniting an air-fuel mixture in a combustion chamber (11) of an internal combustion engine (1) with an ignition device (20), the ignition device (20) having an antechamber (21) which is connected via at least one overflow opening (22) to the Combustion chamber (11) and in which a spark ignition device (23) for igniting the air-fuel mixture is arranged, characterized in that the spark of the spark ignition device (23) on a for igniting the air-fuel mixture in the prechamber (21) appropriate continuous spark current level (32) is maintained for a predetermined spark duration (31) to stabilize the initial flame.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Zündeinrichtung zum Zünden eines insbesondere mageren und/ oder mit einem Restgasanteil versehenen Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, insbesondere für den Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors, wobei die Zündeinrichtung eine Vorkammer aufweist, welche über wenigstens eine Überströmöffnung mit der Brennkammer verbunden ist und in welcher eine Funkenzündeinrichtung zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs angeordnet ist.The invention relates to a method and an ignition device for igniting an in particular lean air-fuel mixture and/or an air-fuel mixture containing residual gas in a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular for partial-load operation of the internal combustion engine, the ignition device having an antechamber which has at least one overflow opening is connected to the combustion chamber and in which a spark ignition device for igniting the air-fuel mixture is arranged.

Der Einsatz der Vorkammerzündung ermöglicht unter bestimmten Voraussetzungen eine effizientere Verbrennung des Kraftstoffs in Gas- oder Ottomotoren. Der Einsatz einer Vorkammerzündung verbessert neben dem stöchiometrischen Betrieb vor allem auch den Betrieb solcher Motoren mit global mageren Gemischen oder global höheren Restgasanteilen in der Verbrennungsluft. Bei den bekannten Ausführungsformen erfolgt die Gemischzündung in einer Vorkammer, in welcher eine Zündkerze zur Entflammungsinitialisierung verwendet wird. Allerdings herrschen in der Vorkammer insbesondere im Teillastbetrieb aufgrund der geringen Ladungsbewegung ungünstige Zündbedingungen, so dass dort ein Luft-Kraftstoff-Gemisch gerade bei niedrigen Last-Drehzahl-Betriebspunkten schlecht entflammbar ist, was dann im Teillastbereich auch zu Zündaussetzern führen kann.Under certain conditions, the use of pre-chamber ignition enables more efficient combustion of the fuel in gas or Otto engines. In addition to stoichiometric operation, the use of pre-chamber ignition also improves the operation of such engines with globally lean mixtures or globally higher residual gas proportions in the combustion air. In the known embodiments, the ignition of the mixture takes place in a pre-chamber, in which a spark plug is used to initiate the ignition. However, unfavorable ignition conditions prevail in the pre-chamber, particularly in part-load operation due to the low charge movement, so that an air-fuel mixture there is poorly flammable, especially at low load-speed operating points, which can then also lead to misfiring in the part-load range.

In manchen günstigen Ausführungsformen wird das Gemisch in der Vorkammer separat kontrolliert, z. B. über ein zusätzliches Einspritzventil, und so ein gegenüber der Brennkammer deutlich fetteres Gemisch gebildet, damit die Zündung gut gelingt. Mittels der Verbrennung in der Vorkammer, welche in diesem Zusammenhang auch als „Fackelstrahlgenerator“ bezeichnet wird, lässt sich so auch im Teillastbetrieb ein verhältnismäßig mageres und/ oder höhere Restgasanteile aufweisendes Gemisch in der Brennkammer entzünden, welches dadurch effizienter verbrannt wird.In some favorable embodiments, the mixture in the antechamber is controlled separately, e.g. B. via an additional injection valve, and so formed a much richer mixture compared to the combustion chamber, so that the ignition is successful. By means of the combustion in the pre-chamber, which in this context is also referred to as the "torch jet generator", a relatively lean mixture and/or a mixture with a higher proportion of residual gas can be ignited in the combustion chamber even in partial load operation, which is then burned more efficiently.

So weist das in einer solchen oben beschriebenen Vorkammer mit Einspritzung für einen Ottomotor gebildete fette Luft-Kraftstoff-Gemisch beispielsweise einen Lambda-Wert von 0,9 auf, wohingegen das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Brennkammer einen Lambda-Wert von etwa 2 aufweisen kann. Nachteilig an der Vorkammerzündung ist auch der durch die Zündung in der Vorkammer zusätzlich auftretende Wandwärmeverlust, der aus starken Quenching-Effekten an den Vorkammerwänden resultiert und der sich bei Lambdawerten von 0,9 in der Vorkammer besonders stark auswirkt.For example, the rich air-fuel mixture formed in such a pre-chamber with injection for a gasoline engine as described above has a lambda value of 0.9, whereas the lean air-fuel mixture in the combustion chamber has a lambda value of around 2 may have. Another disadvantage of prechamber ignition is the additional wall heat loss that occurs as a result of the ignition in the prechamber, which results from strong quenching effects on the prechamber walls and has a particularly strong effect at lambda values of 0.9 in the prechamber.

Bei bekannten passiv betriebenen Vorkammer-Zündsystemen gelangt während des Kompressionshubs des Verbrennungsmotors durch wenigstens eine Überströmöffnung ein Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Brennkammer in die Vorkammer, so dass in der Vorkammer ein weitgehend homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch vorliegt. Wie bereits beschrieben herrschen in der Vorkammer insbesondere aufgrund der geringen Ladungsbewegung ungünstige Zündbedingungen, woraus auch eine deutliche Begrenzung der Restgasverträglichkeit und der Abmagerfähigkeit von passiven Vorkammer-Zündsystemen resultiert.In known passively operated prechamber ignition systems, during the compression stroke of the internal combustion engine, an air/fuel mixture flows from the combustion chamber into the prechamber through at least one overflow opening, so that a largely homogeneous air/fuel mixture is present in the prechamber. As already described, unfavorable ignition conditions prevail in the prechamber, in particular due to the low charge movement, which also results in a significant limitation of the residual gas tolerance and the leaning ability of passive prechamber ignition systems.

Für Verbrennungsmotoren ohne Vorkammer wurde bereits vorgeschlagen, beim Einsatz verdünnter Luft-Kraftstoff-Gemische (mager oder mit Restgasverdünnung) die Zünddauer zu verlängern, um eine sichere Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs zu erreichen. Allerdings liegen in der Brennkammer im Vergleich zu einer Vorkammer günstigere Randbedingungen wie insbesondere günstigere Strömungsverhältnisse vor.For internal combustion engines without a prechamber, it has already been proposed to extend the ignition duration when using diluted air/fuel mixtures (lean or with residual gas dilution) in order to achieve reliable ignition of the air/fuel mixture. However, in comparison to a pre-chamber, there are more favorable boundary conditions in the combustion chamber, such as in particular more favorable flow conditions.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 26 15 813 A1 ist ein Verfahren zum Zünden eines insbesondere mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei die Zündeinrichtung in einer Vorkammer des Verbrennungsmotors angeordnet ist, die über eine Überströmöffnung mit der Brennkammer verbunden ist.From the German Offenlegungsschrift DE 26 15 813 A1 discloses a method for igniting an in particular lean air-fuel mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine, the ignition device being arranged in an antechamber of the internal combustion engine, which is connected to the combustion chamber via an overflow opening.

Hiervon ausgehend stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Zünden eines insbesondere mageren und/ oder mit einem Restgasanteil versehenen Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors mit einer Zündeinrichtung mit Vorkammer insbesondere für den Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors vorzuschlagen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre des unabhängigen Anspruchs erreicht. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Proceeding from this, the invention sets itself the task of proposing an improved method for igniting an in particular lean air-fuel mixture and/or with a residual gas content in a combustion chamber of an internal combustion engine with an ignition device with an antechamber, in particular for the part-load operation of the internal combustion engine. According to the invention, this is achieved by the teaching of the independent claim. Advantageous developments of the invention are the subject matter of the dependent claims.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Zünden eines insbesondere mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors mit einer Zündeinrichtung insbesondere für den Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei die Zündeinrichtung eine Vorkammer aufweist. Die Vorkammer ist über wenigstens eine Überströmöffnung mit der Brennkammer verbunden und weist eine Funkenzündeinrichtung zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs auf. Der Funke der Funkenzündeinrichtung wird auf einem für die Zündung des in der Vorkammer angeordneten Luft-Kraftstoff-Gemischs geeigneten kontinuierlichen Funkenstromniveau für eine vorbestimmte Funkendauer aufrecht erhalten, um die Initialflamme zu stabilisieren.To solve the problem, a method for igniting a particularly lean air-fuel mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine with an ignition device, in particular for partial-load operation of the internal combustion engine, is proposed, the ignition device having a prechamber. The antechamber is connected to the combustion chamber via at least one overflow opening and has a spark ignition device for igniting the air-fuel mixture. The spark of the spark igniter is at a suitable continuous spark current level for igniting the air-fuel mixture arranged in the pre-chamber for a predetermined correct spark duration maintained to stabilize the initial flame.

Das vorgeschlagene Verfahren dient zum Zünden eines insbesondere mageren bzw. eines restgasreichen Luft-Kraftstoff-Gemischs. Unter einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch wird ein Gemisch verstanden, dessen Verbrennungsluftanteil insbesondere derart überwiegt, dass die Verbrennung des Kraftstoffanteils im Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Überschuss an Luft erfolgt. Dies sorgt für einen günstigen thermodynamischen Wirkungsgrad des motorischen Kreisprozesses. Ein restgasreiches Luft-Kraftstoff-Gemisch enthält einen Anteil an Restgasen aus vorherigen Verbrennungsvorgängen, der gegenüber den durch Spülvorgänge unvermeidbaren Anteil an Restgas eigens erhöht ist.The proposed method serves to ignite an air-fuel mixture that is particularly lean or has a high residual gas content. A lean air-fuel mixture is understood to mean a mixture whose proportion of combustion air predominates in particular in such a way that the proportion of fuel in the air-fuel mixture is burned with excess air. This ensures a favorable thermodynamic efficiency of the engine cycle. An air-fuel mixture rich in residual gas contains a proportion of residual gases from previous combustion processes that is specifically increased compared to the proportion of residual gas that is unavoidable due to scavenging processes.

Die in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors angeordnete Zündeinrichtung weist eine Vorkammer auf, welche über Überströmöffnungen mit der Brennkammer verbunden ist. Durch die Überströmöffnungen wird das in der Brennkammer gebildete Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Kompressionshubs des im Zylinder angeordneten Kolbens in die Vorkammer gedrückt, und darin entsprechend dem Luft-Kraftstoff-Gemisch der Brennkammer komprimiert. Insbesondere wird die Vorkammer so passiv infolge der aus der Kolbenbewegung resultierenden Druckänderungen gespült. Bei einigen Ausführungsformen kann auch im Ansaugtakt des Motors bereits ein strömungsbedingter zusätzlicher Ladungsaustausch der Vorkammer stattfinden.The ignition device arranged in a combustion chamber of an internal combustion engine has an antechamber which is connected to the combustion chamber via overflow openings. The air-fuel mixture formed in the combustion chamber is pressed through the overflow openings into the antechamber during the compression stroke of the piston arranged in the cylinder, and is compressed therein in accordance with the air-fuel mixture in the combustion chamber. In particular, the antechamber is flushed passively as a result of the pressure changes resulting from the piston movement. In some embodiments, an additional flow-related charge exchange of the antechamber can already take place in the intake stroke of the engine.

Die Vorkammer weist eine Funkenzündeinrichtung zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs auf. Bei derartigen Funkenzündeinrichtungen springt wenigstens ein durch die Zündspannung erzeugter Zündfunke zwischen zwei Elektroden über. Bei fetteren Luft-Kraftstoff-Gemischen reicht die in den von einem Zündfunken überbrückten Raum eingebrachte Zündenergie aus, um den Verbrennungsvorgang eines Luft-Kraftstoff-Gemischs stabil zu starten. Für das Zünden verdünnter Luft-Kraftstoffgemische im Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors wird zum Stabilisieren der Initialflamme in der Vorkammer und damit zum Unterstützen der Zündung vorgeschlagen, das Funkenstromniveau der Funkenzündeinrichtung für eine vorbestimmte Funkendauer auf einem für die Zündung des in der Vorkammer angeordneten Luft-Kraftstoff-Gemischs geeigneten Wert aufrecht zu erhalten.The antechamber has a spark igniter for igniting the air-fuel mixture. In spark ignition devices of this type, at least one ignition spark generated by the ignition voltage jumps between two electrodes. In the case of richer air-fuel mixtures, the ignition energy introduced into the space bridged by an ignition spark is sufficient to stably start the combustion process of an air-fuel mixture. For igniting diluted air-fuel mixtures in the part-load operation of the internal combustion engine, it is proposed to stabilize the initial flame in the antechamber and thus to support the ignition, the spark current level of the spark ignition device for a predetermined spark duration on a level for igniting the air-fuel mixture arranged in the antechamber maintain appropriate value.

Durch einen auf diese Weise stabilisierten Zündfunken entsteht eine stabilisierte Initialflamme, durch welche deutlich mehr Zündenergie in den vom Zündfunken überbrückten Raum eingebracht werden kann, um den Verbrennungsvorgang eines in diesem Raum vorhandenen Luft-Kraftstoff-Gemischs zu starten. Die auf diese Weise der Brennkammer zugeführte hohe Zündenergiemenge ermöglicht ein Zünden eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs bzw. eines Luft-Kraftstoff-Gemischs mit hohem Restgasanteil auch bei geringer Ladungsbewegung, so dass der stabile Betriebsbereich der Vorkammerzündung hin zu insbesondere magereren und restgasreicheren Gemischen vor allem im Bereich niedriger Lasten im Kennfeld ausgeweitet wird. Das vorgeschlagene Verfahren sieht eine verlängerte Zündung und insbesondere eine höhere während der Zünddauer abgegebene Energiemenge an wenig bewegte Luft-Kraftstoff-Gemische vor, um diese zu entzünden. Hieraus folgt insbesondere auch eine bessere Aussetzertoleranz und Widerstandsfähigkeit in niedrigen Lastbereichen im Falle eines Lastabwurfs. Ferner reduzieren sich insbesondere bei verdünnten Luft-Kraftstoff-Gemischen auch Quenching-Effekte in der Vorkammer.An ignition spark stabilized in this way results in a stabilized initial flame, through which significantly more ignition energy can be introduced into the space bridged by the ignition spark in order to start the combustion process of an air-fuel mixture present in this space. The high amount of ignition energy supplied to the combustion chamber in this way makes it possible to ignite a lean air-fuel mixture or an air-fuel mixture with a high proportion of residual gas even with little charge movement, so that the stable operating range of the pre-chamber ignition leads to mixtures that are leaner and richer in residual gas in particular especially in the area of low loads in the map. The proposed method provides for a prolonged ignition and in particular a higher amount of energy delivered during the ignition period to air-fuel mixtures with little movement in order to ignite them. In particular, this also results in better misfire tolerance and resilience in low load ranges in the event of a load shedding. Furthermore, quenching effects in the antechamber are also reduced, particularly in the case of diluted air-fuel mixtures.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch unter Ausbildung einer Vorkammerströmung von der Brennkammer in die Vorkammer geführt. Das in der Brennkammer verteilte, insbesondere homogene Luft-Kraftstoff-Gemisch wird während des Kompressionshubs des Kolbens insbesondere durch die wenigstens eine Überströmöffnung in die Vorkammer geführt, wobei die Vorkammer so ausgebildet ist, dass sich dabei eine Vorkammerströmung bildet, welche günstige Bedingungen für eine Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs schafft. Eine derartige Vorkammer ermöglicht so eine weiter verbesserte Zündung eines insbesondere mageren bzw. stark verdünnten Luft-Kraftstoff-Gemischs, ohne eine zusätzliche Anreicherung des Luft-Kraftstoff-Gemischs mit Kraftstoff in der Vorkammer des Verbrennungsmotors zu erfordern.In one embodiment of the method, the air/fuel mixture is conducted from the combustion chamber into the prechamber, forming a prechamber flow. The, in particular, homogeneous air-fuel mixture distributed in the combustion chamber is guided during the compression stroke of the piston, in particular through the at least one overflow opening, into the antechamber, with the antechamber being designed in such a way that an antechamber flow forms, which creates favorable conditions for ignition of the air-fuel mixture creates. Such a pre-chamber thus enables a further improved ignition of a particularly lean or highly diluted air-fuel mixture without requiring additional enrichment of the air-fuel mixture with fuel in the pre-chamber of the internal combustion engine.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird das nach dem Verbrennen des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Vorkammer verbleibende Restgas mit Frischluft gespült. Ein Spülen der Brennkammer mit Frischluft ermöglicht eine wesentliche Entfernung des Restgases der jeweils vorausgehenden Verbrennung aus der Vorkammer und einen Austausch des sauerstoffarmen Restgases mit sauerstoffreicher Frischluft.In one embodiment of the method, the residual gas remaining in the antechamber after the combustion of the air-fuel mixture is flushed with fresh air. Flushing the combustion chamber with fresh air enables the residual gas from the respective preceding combustion to be substantially removed from the antechamber and the oxygen-poor residual gas to be exchanged for oxygen-rich fresh air.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird zusätzlicher Kraftstoff in die Vorkammer eingebracht. Das Einbringen von zusätzlichem Kraftstoff in die Vorkammer kann bei sehr mageren Luft-Kraftstoff-Gemischen, die einen Lambdawert von größer als 2 aufweisen, erforderlich sein, deren Zündung ohne diese Maßnahme auch bei einer verlängerten Funkendauer und stabiler Initialflamme nicht zuverlässig durchführbar ist. Eine solche zusätzliche Einbringung von Kraftstoff in die Vorkammer kann beispielsweise mittels einer in der Vorkammer angeordneten Einspritzeinrichtung erfolgen, wobei die zusätzliche Einspritzmenge insbesondere auf ein Minimum reduzierbar ist.In one embodiment of the method, additional fuel is introduced into the antechamber. The introduction of additional fuel into the antechamber may be necessary in the case of very lean air-fuel mixtures that have a lambda value of greater than 2, the ignition of which cannot be reliably carried out without this measure, even with a longer spark duration and a stable initial flame. Such an additional introduction of fuel into the antechamber can take place, for example, by means of an injection device arranged in the antechamber additional injection quantity can in particular be reduced to a minimum.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Vorkammer mit einem Frischgemisch gespült. Auch bei dieser Ausführung kann ein Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Vorkammer eingebracht werden, welches gegenüber dem für die Verbrennung in der Brennkammer vorgesehenen Luft-Kraftstoff-Gemisch günstigere Zündeigenschaften wie insbesondere einen niedrigeren Lambdawert aufweist. Die Bildung des hierfür vorgesehenen Luft-Kraftstoff-Gemischs kann dabei in einer speziell für diesen Zweck vorgesehenen Gemischbildungseinrichtung erfolgen.In one embodiment of the method, the antechamber is flushed with a fresh mixture. In this embodiment, too, an air/fuel mixture can be introduced into the prechamber which, compared to the air/fuel mixture provided for combustion in the combustion chamber, has more favorable ignition properties, such as in particular a lower lambda value. The air-fuel mixture provided for this purpose can be formed in a mixture-forming device provided specifically for this purpose.

Zur Durchführung des vorausgehend beschriebenen Verfahrens wird in einem weiteren Aspekt eine Zündeinrichtung zum Zünden eines insbesondere mageren bzw. restgasverdünnten Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkammer insbesondere für den Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors vorgeschlagen. Die Zündeinrichtung weist dabei eine Vorkammer auf, welche über wenigstens eine Überströmöffnung mit der Brennkammer verbunden ist und in welcher eine Funkenzündeinrichtung zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs angeordnet ist. Die vorgeschlagene Funkenzündeinrichtung ist eingerichtet, den Funken auf einem für die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Vorkammer geeigneten kontinuierlichen Funkenstromniveau für eine vorbestimmte Funkendauer aufrecht zu halten. Auf diese Weise sind Zündaussetzer vermeidbar und die Vorteile einer Vorkammerzündung für stärker verdünnte Luft-Kraftstoff-Gemische nutzbar.To carry out the method described above, an ignition device for igniting a particularly lean or residual gas-diluted air-fuel mixture in a combustion chamber is proposed in a further aspect, particularly for partial-load operation of the internal combustion engine. The ignition device has an antechamber which is connected to the combustion chamber via at least one overflow opening and in which a spark ignition device for igniting the air-fuel mixture is arranged. The proposed spark ignition device is designed to maintain the spark at a continuous spark current level suitable for igniting the air-fuel mixture in the pre-chamber for a predetermined spark duration. In this way, misfires can be avoided and the advantages of pre-chamber ignition can be used for more diluted air-fuel mixtures.

Bei einer Ausführungsform der Zündeinrichtung weist diese eine Funkenzündeinrichtung auf, die eingerichtet ist, das Funkenstromniveau durch eine Verlängerung eines einzelnen Zündfunkens während der vorbestimmten Funkendauer kontinuierlich aufrecht zu erhalten. Solche Funkenzündeinrichtungen, die beispielsweise als Spulenzündsysteme mit wenigstens zwei Zündspulen ausgeführt sind, halten den Funken in der Vorkammer für eine vorbestimmte Funkendauer auf einem für die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs geeigneten Funkenstromniveau. Dies erfolgt beispielsweise durch Überlagern wenigstens zweier Sekundärströme, wodurch der gebildete gesamte Sekundärstrom während der vorbestimmten Funkendauer kontinuierlich fließt. Der auf diese Weise durchgehend verlängerte Zündfunken erhöht die Energieeinbringung über eine längere Zeit und stabilisiert dabei die entstehende Initialflamme.In one embodiment of the ignition device, it has a spark ignition device that is set up to continuously maintain the spark current level by extending an individual ignition spark during the predetermined spark duration. Such spark ignition devices, which are designed, for example, as coil ignition systems with at least two ignition coils, keep the spark in the antechamber for a predetermined spark duration at a spark current level that is suitable for igniting the air-fuel mixture. This is done, for example, by superimposing at least two secondary currents, as a result of which the total secondary current formed flows continuously during the predetermined spark duration. The ignition spark, which is continuously lengthened in this way, increases the energy input over a longer period of time and thereby stabilizes the initial flame that is produced.

Die vorgeschlagene Zündeinrichtung eignet sich insbesondere auch für Motoren, die im Hochlastbereich eingesetzt werden. Bei hohen Lasten und den damit verbundenen hohen Drücken in Brennraum und Vorkammer ist der mögliche Abstand der Zündelektroden beschränkt, woraus auch eine Beschränkung der Länge des Zündfunkens und damit eine Verschlechterung der Zündeigenschaften der Zündeinrichtung resultiert. Durch das vorgeschlagene Aufrechterhalten des Funkens auf einem für die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Vorkammer geeigneten kontinuierlichen Funkenstromniveau für eine vorbestimmte Funkendauer lässt sich so auch die Zuverlässigkeit der Zündung bei geringen Abständen der Zündelektroden insbesondere im Teillastbereich verbessern, insbesondere wenn aufgrund der Anforderungen des Hochlastbereiches der Elektrodenabstand verkürzt werden muss.The proposed ignition device is particularly suitable for engines that are used in the high-load range. At high loads and the associated high pressures in the combustion chamber and pre-chamber, the possible distance between the ignition electrodes is limited, which also results in a limitation of the length of the ignition spark and thus a deterioration in the ignition properties of the ignition device. The proposed maintenance of the spark at a continuous spark current level suitable for igniting the air-fuel mixture in the prechamber for a predetermined spark duration also makes it possible to improve the reliability of the ignition when the ignition electrodes are close together, particularly in the part-load range, especially when due to the requirements of the high-load range, the electrode spacing has to be shortened.

Bei einer anderen Ausführungsform der Zündeinrichtung weist diese eine Funkenzündeinrichtung auf, die eingerichtet ist, das Funkenstromniveau durch die Zündung einer Vielzahl von Einzelfunken während einer vorbestimmten Funkendauer aufrecht zu erhalten. Bei solchen Systemen, die beispielsweise auch als Spulenzündsysteme mit wenigstens zwei Zündspulen ausgeführt sind, erfolgt dies beispielsweise auch durch Überlagern wenigstens zweier Sekundärströme, wobei Unterbrechungen im Stromfluss des wenigstens einen Sekundärstroms vorgesehen sind, so dass anstatt eines verlängerten Zündfunkens eine Abfolge einzelner kürzerer Zündfunken entsteht. Durch die über eine vorbestimmte Funkendauer erfolgende Abgabe von Zündfunken bleibt auch bei dieser Ausführungsform das Funkenstromniveau in der Vorkammer für eine vorbestimmte Funkendauer im zeitlichen Mittel konstant, wodurch die Energieeinbringung über eine längere Zeit erhöht und die dabei entstehende Initialflamme stabilisiert wird.In another embodiment of the ignition device, it has a spark ignition device which is set up to maintain the spark current level by igniting a large number of individual sparks during a predetermined spark duration. In such systems, which are also designed, for example, as coil ignition systems with at least two ignition coils, this is also done, for example, by superimposing at least two secondary currents, with interruptions in the current flow of the at least one secondary current being provided, so that instead of a lengthened ignition spark, a sequence of individual, shorter ignition sparks is produced. Due to the delivery of ignition sparks over a predetermined spark duration, the spark current level in the antechamber remains constant on average over time for a predetermined spark duration in this embodiment as well, whereby the energy input is increased over a longer period and the resulting initial flame is stabilized.

In einem weiteren Aspekt wird die Verwendung einer entsprechend der vorausgehenden Beschreibung ausgeführten Zündeinrichtung in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors zur Durchführung des vorausgehend beschriebenen Verfahrens zum Zünden eines insbesondere mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors insbesondere für den Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors vorgeschlagen.In a further aspect, the use of an ignition device designed according to the above description in a combustion chamber of an internal combustion engine for carrying out the above-described method for igniting a lean air-fuel mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine, in particular for partial-load operation of the internal combustion engine, is proposed.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt

  • 1 eine schematische Darstellung eines Zylinders eines Verbrennungsmotors mit einer beispielhaften erfindungsgemäßen Zündeinrichtung;
  • 2a ein schematisiertes Diagramm, welches das Funkenstromniveau bei konventionell für Vorkammerzündsysteme verwendeten Funkenzündeinrichtungen über der Zeit zeigt; und
  • 2b ein schematisiertes Diagramm, welches das Funkenstromniveau einer beispielhaften erfindungsgemäßen Funkenzündeinrichtung über der Zeit zeigt.
Further features, advantages and possible applications of the invention result from the following description in connection with the figures. It shows
  • 1 a schematic representation of a cylinder of an internal combustion engine with an exemplary ignition device according to the invention;
  • 2a a schematic diagram showing the spark current level in spark ignition devices conventionally used for prechamber ignition systems over time; and
  • 2 B a schematic diagram showing the spark current level of an exemplary spark ignition device according to the invention over time.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Zylinders 10 eines Verbrennungsmotors 1 mit einer beispielhaften erfindungsgemäßen Zündeinrichtung 20. Im Zylinder 10 ist eine Brennkammer 11 angeordnet, welche sich während eines Ansaughubs des sich im Zylinder 10 auf und ab bewegenden Kolbens 12 mit einem Luft-Kraftstoff-Gemisch füllt. Die Hubbewegung des Kolbens 12 wird von einer über eine Pleuelstange 14 mit diesem verbundenen Kurbelwelle 15 geführt, welche die Antriebsleistung des Kolbens 12 aufnimmt. 1 shows a schematic representation of a cylinder 10 of an internal combustion engine 1 with an exemplary ignition device 20 according to the invention. A combustion chamber 11 is arranged in the cylinder 10, which fills with an air-fuel mixture during an intake stroke of the piston 12 moving up and down in the cylinder 10 . The stroke movement of the piston 12 is guided by a crankshaft 15 which is connected to it via a connecting rod 14 and which absorbs the drive power of the piston 12 .

In der Brennkammer 11 bzw. mit dieser in Verbindung stehend ist eine Zündeinrichtung 20 angeordnet, die eine Vorkammer 21 aufweist, welche über wenigstens eine Überströmöffnung 22 mit der Brennkammer 11 verbunden ist und in welcher eine Funkenzündeinrichtung 23 zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs unmittelbar in der Vorkammer 21 und damit mittelbar in der Brennkammer 11 angeordnet ist. Die Funkenzündeinrichtung 23 ist so eingerichtet, dass der Funken auf einem für die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Vorkammer 21 geeigneten Funkenstromniveau für eine vorbestimmte Funkendauer aufrecht erhalten wird.Arranged in the combustion chamber 11 or in connection with it is an ignition device 20 which has a prechamber 21 which is connected to the combustion chamber 11 via at least one overflow opening 22 and in which a spark ignition device 23 for igniting the air-fuel mixture is arranged in the antechamber 21 and thus indirectly in the combustion chamber 11. The spark ignition device 23 is set up in such a way that the spark is maintained at a spark current level suitable for igniting the air-fuel mixture in the pre-chamber 21 for a predetermined spark duration.

2a zeigt ein schematisiertes Diagramm, in welchem das Funkenstromniveau in Form der Funkenstromstärke I bei konventionell für Vorkammerzündsysteme verwendeten Funkenzündeinrichtungen über der Zeit t aufgetragen ist. Zum Zeitpunkt t1, dem Zündbeginn, ist die Funkenstromstärke I1 maximal und nimmt dann bis zu einem Zeitpunkt t3 hin kontinuierlich ab, zu dem die Funkenstromstärke I3 = 0 ist. Zu einem Zeitpunkt t2 ist die Funkenstromstärke I2 bereits so weit gefallen, dass durch den Zündfunken keine Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer 21 mehr möglich ist. Da die Höhe der anfänglichen Funkenstromstärke I1 begrenzt ist, weisen derartige Funkenzündeinrichtungen nur eine begrenzte Zünddauer auf. 2a shows a schematic diagram in which the spark current level in the form of the spark current intensity I in spark ignition devices conventionally used for prechamber ignition systems is plotted against time t. At time t 1 , the start of ignition, spark current intensity I 1 is at its maximum and then decreases continuously up to time t 3 , at which spark current intensity I 3 =0. At a point in time t 2 , the spark current intensity I 2 has already fallen so far that the ignition spark can no longer ignite the air/fuel mixture in the antechamber 21 . Since the magnitude of the initial spark current intensity I 1 is limited, spark ignition devices of this type only have a limited ignition duration.

In 2b ist ein ebenfalls schematisiertes Diagramm gezeigt, in welchem die Funkenstromstärke I einer beispielhaften erfindungsgemäßen Funkenzündeinrichtung 23 über der Zeit t aufgetragen ist. Beim Zündbeginn zum Zeitpunkt t1 ist die Funkenstromstärke I1 maximal. Diese nimmt dann bis zu einem Zeitpunkt t2 hin kontinuierlich ab, zu welchem die Funkenstromstärke I2 ist. Ab dem Zeitpunkt t2 bleibt die Funkenstromstärke I2 dann bis zum Zeitpunkt t3 auf dem kontinuierlichen Funkenstromniveau I2 und damit bis zum Ende der vorbestimmten Funkendauer 31, welche sich aus der Zeitdifferenz zwischen t3 und t1 ergibt. Damit wird eine Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer 21 bis zum Zeitpunkt t3 unterstützt. Der vertikale Doppelpfeil zeigt den Verstellbereich des Funkenstromniveaus 32, das zum Zünden eines vorbestimmten Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Vorkammer 21 geeignet sein muss, und das bei der beispielhaften Funkenzündeinrichtung 23 daher für eine vorbestimmte Funkendauer 31 (horizontaler Doppelpfeil) aufrecht erhalten wird. Die Funkendauer 31 ist folglich bei dieser Funkenzündeinrichtung 23, die von einem einzelnen verlängerten Zündfunken oder von mehreren aufeinanderfolgenden Einzelfunken gebildet wird, im Wesentlichen frei vorbestimmbar.In 2 B a likewise schematic diagram is shown, in which the spark current intensity I of an exemplary spark ignition device 23 according to the invention is plotted against time t. At the start of ignition at time t 1 , the spark current intensity I 1 is at its maximum. This then decreases continuously up to a point in time t 2 , at which point the spark current intensity is I 2 . From time t 2 the spark current intensity I 2 then remains at the continuous spark current level I 2 until time t 3 and thus until the end of the predetermined spark duration 31, which results from the time difference between t 3 and t 1 . This supports ignition of the air-fuel mixture in the antechamber 21 up to time t 3 . The vertical double arrow shows the adjustment range of the spark current level 32, which must be suitable for igniting a predetermined air-fuel mixture in the antechamber 21, and which is therefore maintained for a predetermined spark duration 31 (horizontal double arrow) in the exemplary spark ignition device 23. The spark duration 31 can consequently be freely predetermined in this spark ignition device 23, which is formed by a single extended ignition spark or by a plurality of successive individual sparks.

BezugszeichenlisteReference List

11
Verbrennungsmotorcombustion engine
1010
Zylindercylinder
1111
Brennkammercombustion chamber
1212
KolbenPistons
1414
Pleuelstangeconnecting rod
1515
Kurbelwellecrankshaft
2020
Zündeinrichtungignition device
2121
Vorkammerantechamber
2222
Überströmöffnungoverflow opening
2323
Funkenzündeinrichtungspark ignition device
3131
Funkendauerspark duration
3232
Verstellbereich des Funkenstromniveaus Adjustment range of the spark current level
II
Funkenstromstärkespark amperage
tt
Zeittime

Claims (9)

Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkammer (11) eines Verbrennungsmotors (1) mit einer Zündeinrichtung (20), wobei die Zündeinrichtung (20) eine Vorkammer (21) aufweist, welche über wenigstens eine Überströmöffnung (22) mit der Brennkammer (11) verbunden ist und in welcher eine Funkenzündeinrichtung (23) zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Funke der Funkenzündeinrichtung (23) auf einem für die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Vorkammer (21) geeigneten kontinuierlichen Funkenstromniveau (32) für eine vorbestimmte Funkendauer (31) aufrecht erhalten wird, um die Initialflamme zu stabilisieren.Method for igniting an air-fuel mixture in a combustion chamber (11) of an internal combustion engine (1) with an ignition device (20), the ignition device (20) having an antechamber (21) which is connected via at least one overflow opening (22) to the Combustion chamber (11) and in which a spark ignition device (23) for igniting the air-fuel mixture is arranged, characterized in that the spark of the spark ignition device (23) on a for igniting the air-fuel mixture in the prechamber (21) appropriate continuous spark current level (32) is maintained for a predetermined spark duration (31) to stabilize the initial flame. Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luft-Kraftstoff-Gemisch unter Ausbildung einer Vorkammerströmung von der Brennkammer (11) in die Vorkammer (21) geführt wird.Method of igniting an air-fuel mixture claim 1 , characterized in that the air-fuel mixture is guided from the combustion chamber (11) into the pre-chamber (21), forming a pre-chamber flow. Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nach der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Vorkammer (21) verbleibende Restgas mittels Frischluft gespült wird.Method for igniting an air-fuel mixture according to one of the preceding claims, characterized in that the residual gas remaining in the antechamber (21) after the combustion of the air-fuel mixture is flushed with fresh air. Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlicher Kraftstoff in die Vorkammer (21) eingebracht wird.Method for igniting an air-fuel mixture according to any one of the preceding claims, characterized in that additional fuel is introduced into the antechamber (21). Verfahren zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (21) mit einem Frischgemisch gespült wird.Method for igniting an air-fuel mixture according to one of the preceding claims, characterized in that the antechamber (21) is flushed with a fresh mixture. Zündeinrichtung zum Zünden eines Luft-Kraftstoff-Gemischs in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors (1) gemäß dem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zündeinrichtung (20) eine Vorkammer (21) aufweist, welche über wenigstens eine Überströmöffnung (22) mit der Brennkammer (11) verbunden ist und in welcher eine Funkenzündeinrichtung (23) zum Zünden des Luft-Kraftstoff-Gemischs angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenzündeinrichtung (23) eingerichtet ist, den Funken auf einem für die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Vorkammer (21) geeigneten kontinuierlichen Funkenstromniveau (32) für eine vorbestimmte Funkendauer (31) aufrecht zu erhalten.Ignition device for igniting an air-fuel mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine (1) according to the method according to at least one of Claims 1 until 5 , wherein the ignition device (20) has an antechamber (21) which is connected to the combustion chamber (11) via at least one overflow opening (22) and in which a spark ignition device (23) for igniting the air-fuel mixture is arranged, characterized characterized in that the spark ignition device (23) is set up to maintain the spark at a continuous spark current level (32) suitable for igniting the air-fuel mixture in the prechamber (21) for a predetermined spark duration (31). Zündeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Funkenzündeinrichtung (23) aufweist, die eingerichtet ist, das Funkenstromniveau (32) durch eine Verlängerung eines einzelnen Zündfunkens während der vorbestimmten Funkendauer (31) aufrecht zu erhalten.ignition device claim 6 , characterized in that it has a spark ignition device (23) which is set up to maintain the spark current level (32) by extending a single ignition spark during the predetermined spark duration (31). Zündeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Funkenzündeinrichtung (23) aufweist, die eingerichtet ist, das Funkenstromniveau (32) durch die Zündung einer Vielzahl von Einzelfunken während der vorbestimmten Funkendauer (31) aufrecht zu erhalten.ignition device claim 6 , characterized in that it has a spark ignition device (23) which is set up to maintain the spark current level (32) by igniting a large number of individual sparks during the predetermined spark duration (31). Verwendung einer Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 in einer Brennkammer (11) eines Verbrennungsmotors (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.Use of an ignition device according to one of Claims 6 until 8th in a combustion chamber (11) of an internal combustion engine (1) for carrying out the method according to one of Claims 1 until 5 .
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