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Die Erfindung betrifft eine Zündvorrichtung für einen Verbrennungsmotor.
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Bei Verbrennungskraftmaschinen erfolgt in den Brennräumen der Zylinder eine Entflammung eines verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Dabei zündet insbesondere bei Ottomotoren ein Hochspannungsfunke an einer Zündkerze das verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch.
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Beim Vorliegen sehr magerer Kraftstoff-Luft-Gemische, bei denen die Luftzahl λ wesentlich größer als 1 ist und wie sie bei sehr hohen Abgasrückführraten vorliegen, bereitet die Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches oftmals Probleme.
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Eine Möglichkeit zur Beseitigung dieser Probleme besteht darin, die Zündenergie zu erhöhen. Dies ist aber nachteilig, da bei sehr hoher Zündenergie die Standzeit der jeweiligen Zündkerze stark reduziert ist.
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Eine weitere Möglichkeit zur Beseitigung dieser Probleme besteht darin, die Einspritzung direkt auf die Zündkerze vorzunehmen. Auch dies ist wegen einer verminderten Dauerhaltbarkeit der Zündkerze, die aus Keramik besteht, nachteilig.
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Des Weiteren kann durch eine hohe Ladungsbewegung, welche bei Magermotoren für die Umsetzungsgeschwindigkeit erforderlich ist, keine stabile Ladungsschichtung aufgebaut werden.
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Es sind des Weiteren bereits Zündsysteme bekannt, bei denen ein Hauptbrennraum und eine dem Hauptbrennraum zugeordnete Zündkammer verwendet werden.
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Beispielsweise ist aus der
DE 11 2011 103 649 T5 ein Zündsystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, der einen Brennraum und eine diesem Brennraum zugeordnete Vorkammer aufweist. Dieses Zündsystem hat ein Gehäuse, eine Zündvorrichtung, ein Einspritzventil, die genannte Vorkammer und eine in einem Abstand von einem proximalen Abschnitt der Vorkammer angeordnete Vorkammerdüse. Ein Zünderabschnitt der Zündvorrichtung und eine Düse des Einspritzventils werden funktional im proximalen Abschnitt der Vorkammer gehalten und sind bündig mit ihm angeordnet. Der Zünderabschnitt zündet den Kraftstoff in der Vorkammer derart, dass teilweise verbrannte Produkte der Vorkammer durch Öffnungen in der Vorkammerdüse getrieben und gelöscht werden, aber durch den Brennraum hindurch verteilt werden, um die Hauptkraftstoffladung darin zu zünden.
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Ein Nachteil dieses bekannten Zündsystems besteht darin, dass zwei Einspritzventile notwendig sind. Dies verursacht vergleichsweise hohe Systemkosten und erfordert einen vergleichsweise großen Bauraum im Zylinderkopf, der bei Serienmotoren oftmals nicht vorhanden ist.
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In der
DE 10 2004 039 818 A1 ist ein Verfahren zur Zündung eines Verbrennungsmotors mit einer Vorkammerzündung bekannt, 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. Die Kraftstoffzumessung für das Hauptgemisch im Saugrohr erfolgt durch eine Saugrohreinspritzung und der Kraftstoff für das Hauptgemisch wird gemeinsam mit der Verbrennungsluft über einen oder mehrere Einlasskanäle dem Brennraum zugeführt.
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In der
DE 102 33 256 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei einem Ottomotor mit Kraftstoff-Direkteinspritzung mit einer Vorkammer und Funkenzündung in der Vorkammer beschrieben, wobei die Vorkammer mit einer kleinen Kolbenmulde in Wirkverbindung steht. Dabei wird ein Teil des insgesamt eingespritzten Kraftstoffs bereits während des Ausschiebetaktes des Motors, d. h. mehr als 360° Kurbelwellenwinkel vor dem Zündzeitpunkt mit einem kompakten Einspritzstrahl und kleinem Ausbreitungswinkel in Richtung auf die kleine Kolbenmulde eingespritzt. Der Kraftstoff wird dabei so eingespritzt, dass er weitgehend von der Kolbenmulde aufgenommen wird und bei Annäherung des Kolbens an den oberen Totpunkt des Ausschiebetaktes als Folge eines Schleudereffektes und einer Verdrängungsströmung beim Eintauchen der Vorkammer in die Kolbenmulde in die Vorkammer geschoben bzw. im vorderen Bereich der Vorkammer angelagert wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zündvorrichtung anzugeben, die diese Nachteile überwindet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Zündvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Zündvorrichtung weist eine Vorkammer, eine Hauptkammer, eine Zündkerze und ein Kraftstoffeinspritzventil auf, wobei das Kraftstoffeinspritzventil zeitgleich Kraftstoff in die Vorkammer und in die Hauptkammer einspritzt und das Verhältnis zwischen der in die Vorkammer eingespritzten Kraftstoffmenge und der in die Hauptkammer eingespritzten Kraftstoffmenge betriebspunktabhängig eingestellt wird..
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Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass das Zündsystem nur ein einziges Kraftstoffeinspritzventil benötigt. Dies reduziert die Kosten der Zündvorrichtung. Des Weiteren wird der von der Zündvorrichtung im Zylinderkopf des Verbrennungsmotors benötigte Bauraum klein gehalten, so dass die Zündvorrichtung auch bei Serienmotoren mit vergleichsweise kleinem Zylinderkopf verwendet werden kann.
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Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung.
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Eine mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ausgestattete Zündvorrichtung weist eine Vorkammer, eine Hauptkammer, eine Zündkerze und ein Kraftstoffeinspritzventil auf, wobei das Kraftstoffeinspritzventil zeitgleich Kraftstoff in die Vorkammer und in die Hauptkammer einspritzt. Dabei wird mittels des Kraftstoffeinspritzventils Kraftstoff in Form von Spraykeulen eingespritzt, wobei mindestens eine der Spraykeulen zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in die Vorkammer und die weiteren Spraykeulen zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in die Hauptkammer vorgesehen sind.
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Um sicherzustellen, dass in allen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors das in der Hauptkammer vorliegende Kraftstoff-Luft-Gemisch sicher gezündet werden kann, wird das Verhältnis zwischen der in die Vorkammer eingespritzten Kraftstoffmenge und der in die Hauptkammer eingespritzten Kraftstoffmenge betriebspunktabhängig eingestellt. Dies erfolgt unter Steuerung durch eine Steuereinheit, welche die Zeitpunkte der Einspritzvorgänge, die Anzahl der Einspritzvorgänge und die Dauer der Einspritzvorgänge in Abhängigkeit vom jeweils vorliegenden Betriebspunkt des Verbrennungsmotors einstellt und bei Bedarf verändert. Beim Einspritzen während des Verdichtungstaktes (von -180° Kurbelwinkel bis zum oberen Totpunkt) erfolgt ein Massentransport von der Hauptkammer in die Vorkammer.
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Die Hauptkammer ist vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet und weist eine Längsmittelachse auf. Sowohl bei Verbrennungsmotoren mit zentraler Positionierung des Kraftstoffeinspritzventils als auch bei Verbrennungsmotoren mit seitlicher Positionierung des Kraftstoffeinspritzventils sind die der Hauptkammer zugeordneten Spraykeulen derart ausgerichtet und dimensioniert, dass bei der Einspritzung in die Hauptkammer keine Benetzung der Zylinderwand der Hauptkammer auftritt.
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Auch die Vorkammer ist vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet und weist eine Längsmittelachse auf. Sowohl bei Verbrennungsmotoren mit zentraler Positionierung des Kraftstoffeinspritzventils als auch bei Verbrennungsmotoren mit seitlicher Positionierung des Kraftstoffeinspritzventils sind die der Vorkammer zugeordneten Spraykeulen derart ausgerichtet und dimensioniert, dass bei der Einspritzung in die Vorkammer keine Benetzung des Isolators der Zündkerze auftritt.
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Die Vorkammer ist mit der Hauptkammer über mehrere Schusskanäle verbunden. Durch die Einspritzung des Kraftstoffes in die Vorkammer entsteht ein fettes Gemisch in der Umgebung der Schusskanäle, welches während des Verdichtungstaktes bis hin zum Zündzeitpunkt in die Vorkammer transportiert wird. Die Zündkerze ist in vorteilhafter Weise derart positioniert, dass sie ein in der Vorkammer befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet. Nach der Entzündung des in der Vorkammer befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches treten durch die Schusskanäle Zündfackeln von der Vorkammer in die Hauptkammer aus und entzünden ein in der Hauptkammer befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch.
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Im praktischen Betrieb der Zündvorrichtung erfolgen die Einspritzungen in die Hauptkammer im Bereich zwischen -320° CAD und -260° CAD (CAD = Kurbelwinkel). Dadurch wird in der Hauptkammer ein homogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt. Die genannte Aufteilung der Einspritzmenge zwischen der Einspritzung in die Vorkammer und die Einspritzung in die Hauptkammer wird in Abhängigkeit vom jeweils vorliegenden Betriebspunkt von der Steuereinheit derart vorgenommen, dass in der Vorkammer ein zündfähiges Gemisch gebildet wird und ein in der Hauptkammer befindliches mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die genannten Zündfackeln, die durch die Schusskanäle von der Vorkammer in die Hauptkammer eintreten, sicher entflammt werden kann.
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Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass in der Vorkammer sehr hohe Temperaturen und Turbulenzen vorliegen, wodurch der mittels des Kraftstoffeinspritzventils eingespritzte Kraftstoff derart aufbereitet wird, dass die Zündfähigkeit des in der Vorkammer befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches verbessert ist. Durch Kraftstoffrückstände verursachte Ablagerungen an den Seitenwänden der Vorkammer verbrennen wegen der hohen Temperaturen in der Vorkammer im Sinne einer Selbstreinigung der Vorkammer. Dies hat in vorteilhafter Weise zur Folge, dass auch bei einer Spätverstellung der Einspritzung nur geringe Partikelemissionen verursacht werden.
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Das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Bereich um die Zündkerze wird mit Kraftstoff angereichert und damit fetter. Während der Verdichtung des in der Hauptkammer befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemisches wird Kraftstoff in die Vorkammer eingespritzt, wodurch die Zündbedingungen in der Vorkammer verbessert werden. Dieses Einspritzen von Kraftstoff in die Vorkammer während der Verdichtung kann je nach Bedarf in Form eines einzelnen Kraftstoffpulses oder in Form mehrerer Kraftstoffpulse vorgenommen werden.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Kühlung der Vorkammer erfolgt, wodurch eine Glühzündungsneigung durch die ansonsten hohen Temperaturen in der Vorkammer vermindert wird.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mittels der beschriebenen Zündvorrichtung ein sehr mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch stabil entflammt werden kann, ohne dass die Lebensdauer der Zündkerze durch zu hohe Zündenergien oder durch eine direkte Benetzung des Isolators der Zündkerze reduziert wird.
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Ferner bietet die Erfindung die Vorteile einer aktiven Zündung in der Vorkammer, ohne dass hierfür ein zweites Kraftstoffeinspritzventil benötigt wird.
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Die 1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung, bei welchem für einen Verbrennungsmotor mit zentraler Positionierung des Kraftstoffeinspritzventils 3 vom Kraftstoffeinspritzventil 3 insgesamt fünf Spraykeulen ausgegeben werden, wobei eine dieser Spraykeulen in die Vorkammer 1 und die vier weiteren Spraykeulen in die Hauptkammer 2 gespritzt werden. Es ist ersichtlich, dass die Kraftstoffmenge, die in die Vorkammer 1 gespritzt wird, wesentlich kleiner ist als die Kraftstoffmenge, die in die Hauptkammer 2 gespritzt wird.
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Die 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung, bei welchem für einen Verbrennungsmotor mit zentraler Positionierung des Kraftstoffeinspritzventils 3 vom Kraftstoffeinspritzventil 3 insgesamt sechs Spraykeulen ausgegeben werden, wobei zwei dieser Spraykeulen in die Vorkammer 1 und die vier weiteren Spraykeulen in die Hauptkammer 2 gespritzt werden. Es ist auch hier ersichtlich, dass die Kraftstoffmenge, die in die Vorkammer 1 gespritzt wird, wesentlich kleiner ist als die Kraftstoffmenge, die in die Hauptkammer 2 gespritzt wird.
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Die 3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung, bei welchem in Form einer Schnittdarstellung durch die Zylinderlängsachse veranschaulicht ist, dass für einen Verbrennungsmotor mit zentraler Positionierung des Kraftstoffeinspritzventils 3 vom Kraftstoffeinspritzventil 3 insgesamt drei Spraykeulen ausgegeben werden, wobei eine dieser Spraykeulen in die Vorkammer 1 und die beiden weiteren Spraykeulen in die Hauptkammer 2 gespritzt werden. Es ist auch hier ersichtlich, dass die Kraftstoffmenge, die in die Vorkammer 1 gespritzt wird, wesentlich kleiner ist als die Kraftstoffmenge, die in die Hauptkammer 2 gespritzt wird.
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Die 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung, bei welchem für einen Verbrennungsmotor mit seitlicher Positionierung des Kraftstoffeinspritzventils 3 vom Kraftstoffeinspritzventil 3 insgesamt drei Spraykeulen ausgegeben werden, wobei eine dieser Spraykeulen in die Vorkammer 1 und die beiden weiteren Spraykeulen in die Hauptkammer 2 gespritzt werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist ersichtlich, dass die Kraftstoffmenge, die in die Vorkammer 1 gespritzt wird, wesentlich kleiner ist als die Kraftstoffmenge, die in die Hauptkammer 2 gespritzt wird.
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Die 5 zeigt ein Diagramm, in welchem nach oben der Druck p in bar und nach rechts der Kurbelwinkel CAD in ° aufgetragen ist. Die Kurve K1 beschreibt den Druckverlauf in der Vorkammer, die Kurve K2 den Druckverlauf in der Hauptkammer. Solange der Druck in der Vorkammer kleiner ist als der Druck in der Hauptkammer erfolgt ein Massentransport in die Vorkammer. Nach erfolgter Zündung in der Vorkammer, die zu einem Zeitpunkt t erfolgt, zu welchem der Kurbelwinkel -20° beträgt, steigt der Druck p in der Vorkammer sprunghaft an und es erfolgt in einem Zeitraum τ ein Massentransport von der Vorkammer (1) in die Hauptkammer (2), um das in der Hauptkammer vorliegende magere Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels der von der Vorkammer (1) in die Hauptkammer (2) ausgetretenen Zündfackeln zu entzünden.
