DE10233256A1 - For the firing of a fuel/air mixture in an Otto motor, with fuel injection and spark ignition, an initial injection into the precombustion chamber is during the exhaust stroke before the ignition time point - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zündung des Kraftstoff Luft-Gemischs bei einem Ottomotor mit Kraftstoff-Direkteinspritzung mit einer Vorkammer und Funkenzündung in der Vorkammer, wobei die Vorkammer mit einer kleinen Kolbenmulde in Wirkverbindung steht und weiterhin verschiedene, zur Durchführung geeignete Vorrichtungen mit Funkenzündung, mit denen an der Zündstelle besonders günstige Zündbedingungen erzeugt werden und nachfolgend beim Austritt von heißen Fackelstrahlen aus der Vorkammer, eine sichere und gleichmäßige Entflammung des Gemischs im Hauptbrennraum erfolgt.The invention relates to a method for ignition of the fuel-air mixture in a gasoline engine with direct fuel injection with a prechamber and spark ignition in the prechamber, the prechamber with a small piston recess is in operative connection and continues to be various suitable for implementation Spark-ignition devices, with those at the ignition point particularly cheap ignition conditions are generated and subsequently when hot torch jets emerge the pre-chamber, a safe and even ignition of the mixture takes place in the main combustion chamber.
Zur Entflammung sehr magererer Kraftstoff Luft-Gemische
bei einem Ottomotor mit Kraftstoff-Direkteinspritzung wurde in
Insbesondere bei Verwendung einer im Wesentlichen zylinderförmigen Vorkammer und einer zylinderförmigen Kolbenmulde lassen sich bei entsprechender Anpassung der eingespritzten kleinen Kraftstoffmenge als Folge der über mehre Bohrungen in die Kammer eintretenden fetten Gemischanteile und geordneten Strömungsverhältnisse im Bereich der Zündstelle dort zum Zündzeitpunkt gegenüber dem Homogenbetrieb ohne Zusatzeinspritzung der kleinen Kraftstoffmenge verbesserte Entflammungsbedingungen an der Zündstelle erreichen.Especially when using a essentially cylindrical Antechamber and a cylindrical Piston recess can be adjusted with a corresponding adjustment of the injected small amount of fuel as a result of over several holes in the Chamber entering rich mixture proportions and orderly flow conditions in the area of the ignition point there at the time of ignition across from homogeneous operation without additional injection of the small amount of fuel achieve improved ignition conditions at the ignition point.
Ein ähnliches Verfahren ist das
mit alleiniger Einspritzung einer Hauptmenge während des Verdichtungstaktes
in Form eines Schichtladungsverfahrens nach
Bei beiden Verfahren besteht einerseits das Problem, dass wegen des späten Eintauchens der Vorkammer in die Kolbenmulde ein ungenügender bzw. ein zu später Transport der mit Kraftstoff angereicherten Gemischanteile aus der Mulde zur Zündstelle in der Vorkammer stattfindet, wobei auch eine unzureichende Gemischaufbereitung für das zur Zündstelle transportierte Gemisch stattfindet.In both methods there is one the problem that because of the late Immersing the prechamber in the piston bowl an insufficient or one too late Transport of the fuel-enriched mixture components from the Trough to the ignition point takes place in the antechamber, which also means insufficient mixture preparation for the to the ignition point transported mixture takes place.
Zum Anderen lagert sich der während des Verdichtungstaktes in Richtung auf die kleine Kolbenmulde eingespritzte Kraftstoffteilweise in der Umgebung der Mulde auf dem Kolbenboden ab und kann in der kurzen Zeit bis zum Zündzeitpunkt von dort nicht abdampfen, so dass sich insbesondere eine zusätzliche HC- und Rußemission des Motors ergiebt.On the other hand, it is stored during the compression cycle Partially injected towards the small piston bowl in the vicinity of the trough on the piston crown and can in the short time until the ignition point do not evaporate from there, so that in particular an additional one HC and soot emissions of the engine.
Deshalb besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen frühzeitigen und besseren Transport des Kraftstoffs und der mit Kraftstoff angereicherten Gemischanteile aus der Mulde zur Zündstelle in der Vorkammer bei gleichzeitig verbesserter Gemischaufbereitung zu erreichen sowie die Wandanlagerung von Kraftstoff am Kolbenboden außerhalb der Kolbenmulde zum Zündzeitpunkt möglichst zu vermeiden bzw. gering zu halten.Therefore, the task of the present is Invention at an early stage and better transportation of fuel and those enriched with fuel Mixtures from the trough to the ignition point in the prechamber to achieve improved mixture preparation at the same time as well the accumulation of fuel on the piston crown outside the piston bowl at the time of ignition if possible too avoid or keep it low.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist ein Verfahren mit Vorrichtungen zur Zündung bei einem Ottomotor mit Kraftstoff Direkteinspritzung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des insgesamt eingespritzten Kraftstoffs bereits im Ausschiebetakt des Motors, d.h. mehr als 360 ° KW vor dem Zündzeitpunkt im Verdichtungstakt mit einem vergleichsweise kompakten Einspritzstrahl mit kleinem Ausbreitungswinkel in Richtung auf die kleine Kolbenmulde eingespritzt wird. Die Einspritzung erfolgt dabei so, dass er weitgehend von der Kolbenmulde aufgenommen wird und bei Annäherung des Kolbens an den OT des Ausschiebetaktes in die Vorkammer geschoben wird.The solution to the task is a method with devices for ignition in a gasoline engine Direct fuel injection. The method according to the invention is characterized in that that at least part of the total injected fuel already in the push-out cycle of the engine, i.e. more than 360 ° KW before ignition timing in the compression stroke with a comparatively compact injection jet with a small angle of propagation in the direction of the small piston bowl is injected. The injection takes place so that it largely is picked up by the piston bowl and when the piston approaches the TDC of the push-out cycle is pushed into the antechamber.
Wegen der durch die Kolbenbewegung erzeugten hohen Ladungsbewegung in der Vorkammer, der hohen Innenwandtemperaturen der Kammer sowie wegen der großen zur Verfügung stehenden Zeit bis zur Zündung des Gemischs in der Vorkammer im Verdichtungstakt ergibt sich dort eine besonders gute Homogenisierung von Kraftstoff, Luft und Restgas, was nachfolgend wiederum besonders gute Zündbedingungen zur Folge hat.Because of the piston movement generated high charge movement in the antechamber, the high inner wall temperatures the chamber as well as because of the large to disposal standing time until ignition of the mixture in the antechamber in the compression cycle results there a particularly good homogenization of fuel, air and residual gas, which in turn results in particularly good ignition conditions.
Nach der ersten Einspritzung der kleinen Kraftstoffmenge während des Ausschiebetaktes kann mit einem weit aufgefächerten Einspritzstrahl mit großem Ausbreitungswinkel durch eine weitere Einspritzung während des Ansaugtaktes im Hauptbrennraum ein homogenes, insbesondere mageres Grundgemisch (Homogenbetrieb) erzeugt werden. Zudem ist auch durch eine Einspritzung während des Verdichtungstaktes eine Ladungsschichtung (Schichtladungsbetrieb) im Brennraum möglich.After the first injection of the small amount of fuel during the push-out cycle can be carried out with a widely spread injection jet great Propagation angle through a further injection during the Intake cycle in the main combustion chamber is a homogeneous, especially lean base mixture (Homogeneous operation) are generated. It is also through an injection while of the compression cycle a charge stratification (stratified charge operation) possible in the combustion chamber.
Im ersten Fall kann durch eine zusätzliche dritte Einspritzung einer kleinen Kraftstoffmenge in die Kolbenmulde während des Verdichtungstaktes – also ca. 360 ° KW nach der ersten Einspritzung im Ausschiebetakt – noch eine weitere Steigerung der Gemischanreicherung an der Zündstelle und damit eine Verbesserung der Bedingungen an der Zündstelle zum Zündzeitpunkt erreicht werden.In the first case, an additional third injection of a small amount of fuel into the piston bowl during the compression stroke - i.e. approx. 360 ° KW after the first injection in the push-out stroke - can further increase the mixture enrichment at the ignition point and thus improve the conditions at the ignition can be reached at the time of ignition.
Schließlich ist es auch möglich, die Einspritzung des Kraftstoffs während des Ausschiebetaktes so zu steuern und zu bemessen, dass sich neben der Versorgung der kleinen Kolbenmulde mit Kraftstoff damit auch eine Anreicherung des über das Auslassventil bzw. die Auslassventile ausgeschobenen Abgases mit Kraftstoff, z.B. zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators im Abgasstrang bzw. eine Temperaturerhöhung des Abgases, z.B. zur schnellen Aufheizung eines Katalysators nach dem Kaltstart erreichen lässt.Finally, it is also possible that Injection of fuel during to control and measure the push-out cycle in such a way that the supply of fuel to the small piston bowl an enrichment of the over the exhaust valve or exhaust valves exhausted gas with fuel, e.g. for the regeneration of a NOx storage catalytic converter in the exhaust line or an increase in temperature of the exhaust gas, e.g. to achieve rapid heating of a catalytic converter after a cold start leaves.
Zur Durchführung des Verfahrens ist es notwendig, dass die verwendete Einspritzdüse bei der Einspritzung der kleinen Menge in Richtung auf die Kolbenmulde einen sehr kompakten und schlanken Einspritzstrahl erzeugt und bei der Einspritzung der Hauptmenge während des Ansaugtaktes (Homogenbetrieb) oder Verdichtungstaktes (Schichtladungsbetrieb) einen weit aufgefächerten Einspritzstrahl mit großem Ausbreitungswinkel erzeugt, wie es z.B. bei einer sogenannten Dralldüse der Fall ist.It is to carry out the procedure necessary that the injector used when injecting the small amount towards the piston bowl a very compact and lean injection jet is generated and injecting the bulk while of the intake stroke (homogeneous operation) or compression stroke (stratified charge operation) a wide range Injection jet with large Generates angle of propagation, e.g. the case with a so-called swirl nozzle is.
Die Dralldüse lässt sich dabei so dimensionieren, dass sie einen sogenannten „Vorstrahl" erzeugt, der bei entsprechender Auslegung bereits zur Erzeugung eines kompakten Einspritzstrahls in Verbindung mit einer kleinen Kraftstoffeinspritzmenge in die Kolbenmulde geeignet ist. Insbesondere aber gibt es sogenannte „variable" Einspritzdüsen, deren Stahlbild sich abhängig vom Betriebspunkt in der gewünschten Form beeinflussen lässt.The swirl nozzle can be dimensioned so that that it creates a so-called "pre-beam" which at appropriate design for the generation of a compact injection jet in connection with a small amount of fuel injected into the piston bowl suitable is. In particular, however, there are so-called "variable" injection nozzles, their steel structure become dependent from the operating point in the desired one Lets shape influence.
Zur Erzeugung eines homogenen mageren Grundgemischs ist es im Sonderfall auch möglich, das dieses Gemisch auch außerhalb des Brennraums – z.B. mit einer Saugrohreinsprtizung – erzeugt wird. In diesem Fall kann eine einfache Einspritzdüse verwendet werden, deren Funktion allein in der Erzeugung eines kompakten Einspritzstrahls mit kleinem Ausbreitungswinkel bestehet.To produce a homogeneous lean basic mixture in special cases it is also possible that this mixture also outside the combustion chamber - e.g. with an intake manifold injection becomes. In this case a simple injector can be used be whose function alone in the generation of a compact injection jet there is a small angle of propagation.
Obwohl während der Einspritzung der kleinen Kraftstoffmenge in die Kolbenmulde das Auslassventil noch geöffnet ist, besteht bei entsprechend kompakter Ausbildung des Stahls nur eine geringe Gefahr, dass vom Kraftstoff ein nennenswerter Teil in das Abgassystem gelangt, da unmittelbar nach der Einspritzung die Stirnseite der Vorkammer die Kolbenmulde gegenüber dem Hauptbrennraum abschirmt.Although during the injection of the small amount of fuel in the piston recess still the exhaust valve open there is only with a correspondingly compact design of the steel a low risk that the fuel is a significant part gets into the exhaust system because immediately after the injection the front of the prechamber the piston bowl opposite the Shields main combustion chamber.
Um einen möglichst großen Anteil des durch die Einspritzung in die kleine Kolbenmulde gelangenden Kraftstoffs in die Vorkammer zu transportieren ist es zweckmäßig, den Boden der Mulde in Form eines umgekehrten Kegels auszubilden, so dass sich der Kraftstoff im wesentlichen im mittleren Bereich der Mulde ansammelt. In einer optimierten Ausbildung der Vorkammer kann dann vorzugsweise eine zentrale Bohrung am Boden der Vorkammer angebracht sein, wobei der vordere, zum Boden der Mulde hin gerichtete Teil die Form eines Kegels aufweist. Es ist besonders zweckmäßig, im Boden mehrere, in Richtung auf die Kolbenmulde sich kegelförmig erweiternde Kanäle anzuordnen.To the largest possible proportion of the injection into the small piston bowl of fuel entering the prechamber it is convenient to transport the Bottom of the trough in the form of an inverted cone, see above that the fuel is essentially in the middle of the trough accumulates. In an optimized design the antechamber can then preferably a central hole has to be made in the bottom of the prechamber, the front part facing the bottom of the trough having the shape of a cone. It is particularly useful to have several in the bottom, in the direction conical on the piston bowl expanding channels to arrange.
In allen Fällen ist vorgesehen, dass die Oberfläche des Kolbenbodens so beschaffen ist, dass die Adhäsionskräfte für den Kraftstoff sehr gering sind, damit sich bei Annäherung des Kolbens an den OT der Kraftstoff leicht ablöst, wobei als Folge der starken Verzögerung der Kolbenbewegung in diesem Kurbelwinkelbereich ein „Schleudereffekt" erzielt wird der, den am Muldenboden angelagerten Kraftstoff und das in diesem Bereich erzeugte angereicherte Kraftstoff Luft-Gemisch in Richtung auf die Stirnseite der Vorkammer bzw. in die Vorkammer hinein transportiert.In all cases it is provided that the surface of the piston crown is such that the adhesive forces for the fuel are very low are so when approaching of the piston to the TDC the fuel easily peels off, as a result of the strong delay a "skidding effect" is achieved for the piston movement in this crank angle range, the fuel deposited on the trough floor and in this area generated enriched fuel air mixture towards the End face of the prechamber or transported into the prechamber.
Im Gegensatz dazu sollten die sich kegelförmig erweiternde Bohrung bzw. Bohrungen im Boden der Vorkammer besonders große Adhäsionskräfte aufweisen, was durch feine Längskanäle auf der Oberfläche oder eine feinporige Aufrauung des kegeligen Teils der Bohrungen erreicht wird. Der auf der Oberfläche der Bohrungen so zwischengespeicherte Kraftstoff wird nachfolgend während des Verdichtungstaktes als Folge der dann besonderes hohen Gasgeschwindigkeit in den Kanälen während des Füllvorgangs der Vorkammer von den einströmenden Gasen mitgerissen und in die Vorkammer transportiert.In contrast, they should conical expanding hole or holes in the bottom of the prechamber particularly size Have adhesive forces, what through fine longitudinal channels on the surface or a fine-pored roughening of the conical part of the holes is achieved becomes. The one on the surface The holes so cached fuel is subsequently while the compression stroke as a result of the particularly high gas velocity in the channels while the filling process the antechamber from the incoming gases carried away and transported to the antechamber.
Nachfolgend sind Einzelheiten zum Verfahren und wichtige Merkmale der verwendeten Vorrichtungen anhand von Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen inBelow are details of the Process and important features of the devices used based on described by drawings. These show in
Durch eine weitere Einspritzung einer
kleinen Kraftstoffmenge in die Kolbenmulde während des Verdichtungstaktes – also ca.
360 ° KW
nach der ersten Einspritzung (
Die Zündung des Gemischs erfolgt
kurz vor dem Erreichen des Verdichtungs-OT (
Es ist auch möglich, die Einspritzung des Kraftstoffs während des Ausschiebetaktes so zu steuern und zu bemessen, dass sich neben der Versorgung der kleinen Kolbenmulde mit Kraftstoff damit auch eine Anreicherung des über das Auslassventil bzw. die Auslassventile ausgeschobenen Abgases mit Kraftstoff, z.B. zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators im Abgasstrang bzw. eine Temperaturerhöhung des Abgases, z.B. zur schnellen Aufheizung eines Katalysators nach dem Kaltstart erreichen lässt.It is also possible to inject the fuel while to control and measure the push-out cycle in such a way that the supply of fuel to the small piston bowl an enrichment of the over the exhaust valve or exhaust valves with exhaust gas pushed out Fuel, e.g. for regeneration of a NOx storage catalytic converter in the exhaust system or an increase in temperature the exhaust gas, e.g. for rapid heating of a catalyst the cold start.
Zudem besteht die Möglichkeit, durch eine gezielte Veränderung der Ventilsteuerzeiten EÖ (Einlassventil-Öffnen) und AS (Auslassventil-Schließen) eine Anpassung an unterschiedliche Anforderungen vorzunehmen, wobei insbesondere ein „später" Zeitpunkt für AS (Miller-Verfahren) dazu dient, dass Kraftstoffanteile, die als Folge der Einspritzung während des Ausschiebetaktes in den Abgaskanal gelangen, durch eine „innere" Abgasrückführung wieder in den Brennraum zurück geschoben werden und somit bei der Umsetzung des Gemischs im Hauptbrennraum verbrannt werden, so dass sich kein Wirkungsgradverlust des Motors ergibt.There is also the possibility through a targeted change the valve timing EÖ (intake valve opening) and AS (exhaust valve closing) one To adapt to different requirements, in particular a "later" time for AS (Miller method) serves to reduce fuel levels as a result of injection while of the push-out cycle get into the exhaust gas duct again through an "inner" exhaust gas recirculation back into the combustion chamber be pushed and thus in the implementation of the mixture in the main combustion chamber be burned so that there is no loss of engine efficiency results.
Hierbei bietet es sich an, mit der Haupteinspritzung im Zusammenhang mit einem „strahlgeführten" Brennverfahren einen kreisringförmigen Kraftstoffstrahl zu erzeugen, z.B. mit einer nach außen öffnenden Ringdüse, einer Mehrlochdüse, bei die Austrittsbohrungen insbesondere auf einem Kreis angeordnet sind oder durch eine Dralldüse. In diesem Fall erfolgt die Zündung des Hauptstrahls vorteilhaft an einer inneren Ringfläche gleichzeitig, was im Vergleich zur üblichen Zündung am äußeren Strahlrand durch eine einzige Zündkerze erhebliche Vorteile bei der Energieumsetzung liefert. Bei diesem Verfahren bietet die Ausbildung einer Drallströmung im Brennraum, z.B. durch eine angepasste Verstellung des Querschnitts von einem von zwei Ansaugkanälen weitere Vorteile, wobei eine gewünschte ringförmige Kraftstoffstrahlgeometrie mit nachfolgender gleichmäßiger und schneller Umsetzung des Gemischs gefördert wird.Here it makes sense to use the Main injection in connection with a "jet-guided" combustion process an annular fuel jet to generate, e.g. with an outwardly opening ring nozzle, one spinneret with the outlet holes arranged in particular on a circle or through a swirl nozzle. In this case the ignition takes place the main jet advantageously on an inner ring surface at the same time, what compared to the usual ignition on the outer edge of the beam through a single spark plug delivers significant benefits in energy conversion. With this Process offers the formation of a swirl flow in the combustion chamber, e.g. by an adjusted adjustment of the cross section of one of two intake ports further advantages, being a desired one annular Fuel jet geometry with subsequent uniform and faster implementation of the mixture is promoted.
Um einen möglichst großen Anteil des durch die Einspritzung
in die kleine Kolbenmulde gelangenden Kraftstoffs in die Vorkammer
zu transportieren ist es zweckmäßig, den
1Boden der Mulde in Form eines umgekehrten Kegels auszubilden (
Die oberhalb des Kolbenbodens aus
der Vorkammer insbesondere tangential austretenden Kanäle (
In allen Fällen ist vorgesehen, dass die
Oberfläche
des Kolbenbodens so beschaffen ist, dass die Adhäsionskräfte für den Kraftstoff sehr gering
sind, damit sich bei Annäherung
des Kolbens an den OT der Kraftstoff leicht vom Boden der Kolbenmulde
ablöst,
was z.B. durch eine Beschichtung oder durch eine partielle Wärmeisolierung
des Bodens der Kolbenmulde mit Nutzung des „Leidenfrostphänomens" erreichbar ist,
wobei als Folge der dann starken Verzögerung der Kolbenbewegung ein „Schleudereffekt" erzielt wird, der
den Kraftstoff und das erzeugte angereicherte Gemisch aus der Kolbenmulde
in Richtung in die Vorkammer bzw. in Richtung auf die Stirnseite
der Vorkammer transportiert, wobei nachfolgend durch das Eintauchen
der Vorkammer in die Kolbenmulde zusätzlich eine in Richtung auf
das Innere der Vorkammer (
Im Gegensatz dazu sollte die sich kegelförmig erweiternde Bohrung bzw. Bohrungen im Boden der Vorkammer besonders große Adhäsionskräfte aufweisen, was durch feine Längskanäle auf der Oberfläche oder eine feinporige Aufrauung erreicht wird. Der auf der Oberfläche der Kanäle so zwischengespeicherte Kraftstoff wird nachfolgend während des Verdichtungstaktes als Folge der hohen Gasgeschwindigkeit in den Bohrungen während des Füllvorgangs der Vorkammer von den einströmenden Gasen mitgerissen und in die Vorkammer transportiert.In contrast, the should conical expanding hole or holes in the bottom of the prechamber particularly size Have adhesive forces, what through fine longitudinal channels on the surface or a fine-pored roughening is achieved. The one on the surface of the channels so cached fuel is subsequently used during the Compression cycle as a result of the high gas velocity in the Drilling during the filling the antechamber from the incoming gases carried away and transported to the antechamber.
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DE10233256A DE10233256A1 (en) | 2002-07-23 | 2002-07-23 | For the firing of a fuel/air mixture in an Otto motor, with fuel injection and spark ignition, an initial injection into the precombustion chamber is during the exhaust stroke before the ignition time point |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8122 | Nonbinding interest in granting licences declared | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |