DE1053247B

DE1053247B - Injection ignition device for internal combustion engines

Info

Publication number: DE1053247B
Application number: DEE13436A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Ulf Essers
Original assignee: ERNST ESSERS DR ING
Current assignee: ERNST ESSERS DR ING
Priority date: 1956-12-27
Filing date: 1956-12-27
Publication date: 1959-03-19

Description

Einspritz-Zündeinrichtung für Einspritzbrennkraftmaschinen Dem Streben des Motorenbaus nach einer Erhöhung der Literleistung durch Drehzahlsteigerung steht, im Gegensatz zu Mittel- und Niederdruckmotoren, bei luftverdichtenden Motoren, deren Verdichtungs-Endtemperatur über der Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffes liegt, der je nach Kraftstoffart mehr oder weniger große Zündverzug entgegen, dessen ungünstiger Einfluß auf den -Verbrennungsablauf in der Regel um so größer ist, je höher die Drehzahl ist.Injection-ignition device for injection internal combustion engines The pursuit of engine construction stands after an increase in the liter output by increasing the speed, in contrast to medium and low pressure engines, with air-compressing engines, their The final compression temperature is above the auto-ignition temperature of the fuel, the more or less large ignition delay, depending on the type of fuel, its less favorable The influence on the combustion process is generally greater, the higher the Speed is.

Der ungünstige Einfluß der Zündverzugszeit auf den Verbrennungsablauf kann praktisch ausgeschaltet werden, wenn die Verbrennung durch eine Fremdzündung eingeleitet wird, solange sich nur ein kleiner Teil der Kraftstoff-Einspritzmenge im Zylinderinnern befindet. Durch das Einspritzgesetz kann in diesem Falle der Druckverlauf weitgehend gesteuert werden, so daß unabhängig von der Kraftstoffart, auch bei hoher Drehzahl, ein sanfter Druckanstieg verwirklicht werden kann, der unter anderem hinsichtlich der Triebwerksbeanspruchung und des Verbrennungsgeräusches günstig ist.The unfavorable influence of the ignition delay time on the combustion process can be practically turned off if the combustion is caused by a spark ignition is initiated as long as there is only a small part of the fuel injection quantity located inside the cylinder. In this case, the pressure curve can be determined by the injection law largely controlled so that regardless of the type of fuel, even at high Speed, a gentle increase in pressure can be achieved, among other things with regard to the engine stress and the combustion noise is favorable.

Elektrische Zündanlagen, deren Zündung nicht sofort die erste eingespritzte Teilmenge erfaßt, können in dieser Hinsicht nicht befriedigen, weil, wie bei hochverdichteten Motoren ohne Fremdzündung, die nach obigen Überlegungen zu spät erfolgende Zündung einen großen Teil der gesamten Einspritzmenge zu fast gleichzeitiger Entflammung bringt. Ein steiler Druckanstieg kann auf diese Weise nicht vermieden werden, und der Mehraufwand für die elektrische Zündanlage scheint in diesem Fall nicht gerechtfertigt zu sein. Deshalb muß von diesen elektrischen Zündanlagen verlangt werden, daß ihre Zündung, bezogen auf den Einspritzbeginn, genau im günstigen Augenblick erfolgt.Electric ignition systems whose ignition did not immediately inject the first one Partial set recorded, can not be satisfactory in this respect, because, as with highly compressed Engines without spark ignition, the ignition taking place too late according to the above considerations a large part of the total injection quantity to ignite almost simultaneously brings. A steep increase in pressure cannot be avoided in this way, and the additional expense for the electrical ignition system does not seem to be justified in this case to be. It must therefore be required of these electrical ignition systems that their Ignition, based on the start of injection, takes place at exactly the right moment.

Dieser Forderung sollte eine in letzter Zeit bekanntgewordene Einspritzdüse mit als Abreißkontakt für den Zündstrom dienendem Ventil nachkommen, die iri ihrer am meisten Erfolg versprechenden Ausführung folgendermaßen arbeitet.An injection nozzle that has recently become known should meet this requirement with the valve serving as a tear-off contact for the ignition current, the iri their Most promising execution works like this.

Die Düsennadel, die einen Ventilteller mit ebenem Sitz hat, hebt bei Beginn der Einspritzung in das Zylinderinnere hinein ab. Von einer Batterie gespeist, fließt ein Strom von beispielsweise 6 bis 8 A durch eine Induktionsspule, über einen Verteiler, durch elektrisch isoliert befestigte Teile des Einspritzventils, durch die Düsennadel und durch ihren Ventilsitz zur Masse. Hebt sich bei Einspritzbeginn die Düsennadel von ihrem Ventilsitz ab, so entsteht am Rande der Ventilsitzfläche ein kurzzeitig wirkender sogenannter Abreißbogen, welcher die den Ringspalt passierende Kraftstofflamelle an ihrer Stirnseite entzünden soll.The nozzle needle, which has a valve disk with a level seat, rises Start of injection into the interior of the cylinder. Powered by a battery a current of, for example, 6 to 8 A flows through an induction coil, via a Distributor, through electrically insulated parts of the injection valve the nozzle needle and through its valve seat to the ground. Raises at the start of injection the nozzle needle from its valve seat is created on the edge of the valve seat surface a short-term so-called tear-off sheet, which passes through the annular gap Fuel lamella is supposed to ignite on its face.

Diese Anlage hat aber mehrere Nachteile, welche die Wirksamkeit der elektrischen Zündung und die Betriebssicherheit des Motors in Frage stellen. Die Düsennadel muß bei diesem Verfahren weit in den Verbrennungsraum hineinragen und setzt diesem die unvermeidlich große Oberfläche ihres Ventiltellers aus. Eine ungewöhnlich hohe Erwärmung ist deshalb unvermeidlich. Für die Führung der Düsennadel können nur elektrisch isolierende Werkstoffe verwendet werden, die es fraglich erscheinen lassen, ob bei ihrer Verwendung die hohen Anforderungen hinsichtlich der Führungsgenauigkeit, ohne die ein Abreißfunken unmöglich ist (Verkanten des Düsennadeltellers), erfüllt werden. Die Dichtfläche zwischen dem Düsennadelventil und seinem Sitz muß sehr genau sein, was aber nicht gewährleistet ist, da ein Abbrand durch den Abreißbogen entsteht. Die Verwendung des Einspritzventils als elektrischerAbreißkontakt läßt außerdem nur wenig Spielraum bei der Gestaltung des Einspritzstrahles.However, this system has several disadvantages which affect the effectiveness of the question the electrical ignition and the operational safety of the engine. the In this process, the nozzle needle must protrude far into the combustion chamber and exposes the inevitably large surface of your valve disc to this. An unusual one high heating is therefore inevitable. For guiding the nozzle needle you can only electrically insulating materials are used, which seem questionable whether the high requirements in terms of guidance accuracy, without which a tear-off spark is impossible (tilting of the nozzle needle plate) will. The sealing surface between the nozzle needle valve and its seat must be very precise but this is not guaranteed because the tear-off sheet will burn off. The use of the injection valve as an electrical breakaway contact also allows only little leeway in the design of the injection jet.

Die entscheidenden Schwierigkeiten des genannten Verfahrens sind aber in seinem elektrischen Teil begründet. Wenn bei der Beschreibung des Verfahrens von einem Lichtbogen oder einer Bogenentladung gesprochen wird, so entspricht das nicht ganz den Verhältnissen bei dem angegebenen Verfahren. Während unter einem Lichtbogen oder Abreißbogen eine Entladung von größerer Dauer verstanden wird, handelt es sich im Falle des hier beschriebenen Verfahrens um eine kurzzeitige Entladung, deren Dauer durch den Energieinhalt der Induktionsspule bestimmt wird und nicht größer ist als die außerordentlich kleine Zeitdauer der Funkenentladung bei der Hochspannungszündanlage eines Ottomotors. Weil die Induktionsspule stets mit einer Kapazität behaftet ist und auch die Düsennadel und ihre Sitzfläche im geöffneten Zustand des Ventils eine Kapazität darstellen, vergeht nach dem Offnen des Abreißkontaktes eine bestimmte Zeit, bis zwischen der Düsennadel und ihrer Sitzfläche ein elektrisches Potential aufgebaut ist, das zur Einleitung der elektrischen Entladung ausreicht. Falls sich bis zum Beginn der Entladung die Kraftstofflamelle zwischen dem Düsennadelteller und seiner Sitzfläche schon so weit ausgebildet hat, daß die Entladung nicht mehr durch die Luft um die Zunge der Kraftstofflamelle herum stattfindet, sondern durch die Kraftstofflamelle hindurch, so ist nur mit der Verdampfung einer kleinen O)menge, nicht aber mit der Einleitung der Verbrennung zu rechnen. Wenn es aber bei großem elektrischem Aufwand möglich sein sollte, für eine bestimmte Drehzahl die Zeit, die zwischen dem Offnen der Kontakte und dem Beginn der Entladung verstreicht, auf die Zeit, welche die Kraftstofflamelle bis zum Erreichen der Entladungsstrecke braucht, optimal abzustimmen, so muß damit gerechnet werden, daß bei bestimmten stark abweichenden Drehzahlen die elektrische Entladung stattfindet und endet, bevor die Kraftstofflamelle die Funkenstrecke passiert hat. Auch in diesem Falle wäre die Abreißzündung wirkungslos. Sollte sich aber der günstige Fall verwirklichen lassen, in dem die Entladung und die Front der Kraftstofflamelle an der Entladungsstrecke im richtigen Zeitpunkt zusammentreffen, so ist trotzdem kaum zu erwarten, daß eine Entzündung des Kraftstoffes eintritt, da in so unmittelbarer Nähe des Austrittsquerschnitts noch keine Zerstäubung und folglich keine Vermischung des Kraftstoffes mit Luft stattgefunden hat.The decisive difficulties of the procedure mentioned are, however based in its electrical part. If in the description of the procedure When speaking of an arc or an arc discharge, this corresponds to not quite the conditions in the specified procedure. While under one Arc or tear-off arc is understood to be a discharge of greater duration In the case of the procedure described here, it is a brief discharge, the duration of which is determined by the energy content of the induction coil and not is greater than the extremely short duration of the spark discharge in the High-voltage ignition system of a gasoline engine. Because the induction coil always has a Capacity is tainted and also the nozzle needle and its seat represent a capacity in the open state of the valve, disappears after opening of the tear-off contact a certain time until between the nozzle needle and its seat an electrical potential is built up, which is used to initiate the electrical discharge sufficient. If the fuel flap is between the nozzle needle plate and its seat has already developed so far that the Discharge no longer occurs through the air around the tongue of the fuel lamella, but through the fuel lamella, there is only one with the evaporation small O) amount, but the initiation of the combustion is not to be expected. if but it should be possible for a certain one with great electrical effort Speed is the time between the opening of the contacts and the start of the discharge elapses on the time it takes the fuel lamella to reach the discharge path needs to be optimally coordinated, it must be expected that with certain strongly deviating speeds the electrical discharge takes place and ends before the fuel lamella has passed the spark gap. In this case, too, would be the breakaway ignition has no effect. But should the favorable case come true in which the discharge and the front of the fuel lamella at the discharge path meet at the right time, it is hardly to be expected that a Ignition of the fuel occurs because in the immediate vicinity of the outlet cross-section no atomization and consequently no mixing of the fuel with air has taken place.

Die Erfindung aber berücksichtigt die Forderung nach möglichst frühzeitiger Entzündung der ersten eingespritzten Kraftstoffmenge in dem Maße, als es möglich ist, die Verbrennung des Kraftstoffes mit Sicherheit einzuleiten; d. h., der Zündfunken liegt nicht unmittelbar an der Düsenmündung, sondern angemessen, z. B. einige Millimeter, von ihr entfernt, gerade weit genug, um bei allen Betriebszuständen den Einspritzstrahl an einer Stelle zu erfassen, an der er bestimmt entzündet werden kann. Die Düsennadel braucht deshalb bei dieser Lösung nicht als Elektrode verwendet zu werden. Damit können bei der erfindungsgemäßen Ausführung auch alle bewährten Einspritzventile unverändert verwendet werden, während bei dem obenerwähnten Zündverfahren mitAbreißzündung z. B. die Düsennadel eine ungewöhnliche Form und vor allem elektrisch isolierende Führungen haben muß, wodurch allein schon die Betriebssicherheit sehr in Frage gestellt wird.However, the invention takes into account the requirement for as early as possible Ignition of the first amount of fuel injected as much as possible is to initiate the combustion of the fuel with certainty; d. i.e., the spark is not directly at the nozzle mouth, but appropriate, z. B. a few millimeters, away from it, just far enough to allow the injection jet in all operating states to be grasped at a point where it can definitely be ignited. The jet needle therefore does not need to be used as an electrode in this solution. In order to In the embodiment according to the invention, all proven injection valves can also be used can be used as they are, while in the above-mentioned chopping ignition method z. B. the nozzle needle has an unusual shape and, above all, electrically insulating Must have guides, whereby the operational safety alone is very much in question will.

Mit einigen anderen elektrischen Zündeinrichtungen für luftverdichtende Motoren hat die erfindungsgemäße Zündeinrichtung gemeinsam, daß Glühkerzen nicht mehr erforderlich sind. Der Mehraufwand für die elektrische Zündanlage wird dadurch zu einem Teil wieder aufgewogen. Weiter wird bei Verwendung der erfindungsgemäßen Zündanlage der Motor, verglichen mit dem Ottomotor oder dem Dieselmotor ohne Fremdzündung, auch sehr kraftstoffunempfindlich. Die Zündeinrichtung gestattet dieVerwendung von Leichtölen, z. B. Benzin, Benzin-Benzol-Gemisch, bis zu Schwerölen. Die Zündeinrichtung kann auch bei Motoren mit nur mittlerer Verdichtung verwendet werden, deren Verdichtungsenddruck unter dem Druck der Selbstzündung liegt. Von den letztgenannten Motoren abgesehen, gilt für alle anderen luftverdichtenden Motoren, die die erfindungsgemäße Zündeinrichtung verwenden, daß die elektrische Zündung einen sehr günstigen Einfluß auf den Verbrennungsablauf hat, ohne je Ursache für ein Aussetzen des Motors zu sein. Die elektrische Zündanlage ist also nicht, wie z. B. bei Ottomotoren, eine weitere Fehlerquelle, weil; falls, sie einmal versagen sollte, der Motor immer noch,- wenn auch mit einem viel größer gewordenen Zündverzug, arbeitet wie ein Dieselmotor ohne elektrische Zündanlage.With some other electrical ignition devices for air compressing The ignition device according to the invention has engines in common that glow plugs do not more are required. This increases the workload for the electrical ignition system outweighed in part. When using the inventive Ignition system of the engine, compared to the Otto engine or the diesel engine without external ignition, also very insensitive to fuel. The igniter allows the use of Light oils, e.g. B. gasoline, gasoline-benzene mixture, up to heavy oils. The ignition device can also be used for engines with only medium compression, their final compression pressure is under the pressure of auto-ignition. Apart from the latter engines, applies to all other air-compressing engines that use the ignition device according to the invention use that the electrical ignition has a very favorable influence on the combustion process without ever causing the engine to stall. The electrical ignition system so is not like z. B. in gasoline engines, another source of error because; if, Should it fail once, the engine still - albeit with a much larger one ignition delay, works like a diesel engine without an electrical ignition system.

Die Abbildung zeigt die Anordnung der Elektroden 1 und 2 vor dem Einspritzventil 3. Die Elektroden liegen im unmittelbaren Bereich des Einspritzstrahles und dicht vor dem Einspritzventil, weil die Entladung nicht erst stattfinden soll, nachdem Kraftstoff und Luft auf einer größeren Weglänge kräftig miteinander verwirbelt worden sind. Eine so späte Zündung könnte den steilen Druckanstieg nicht verhindern, da von ihr die fast gleichzeitige Verbrennung einer zu großen Kraftstoffmenge eingeleitet würde.The figure shows the arrangement of electrodes 1 and 2 in front of the injection valve 3. The electrodes are in the immediate area of the injection jet and are tight in front of the injection valve, because the discharge should not take place after Fuel and air were vigorously swirled together over a longer distance are. Such a late ignition could not prevent the steep rise in pressure, because it initiated the almost simultaneous combustion of too large a quantity of fuel would.

Die Elektrode 1 ist in dem hier skizzierten Beispiel durch den Isolationskörper einer Zündkerze gegen die Masse elektrisch isoliert, während die Elektrode 2 an Masse liegt.In the example sketched here, the electrode 1 is through the insulation body a spark plug electrically isolated from the ground, while the electrode 2 is on Mass lies.

Die elektrische Entladung zwischen den Elektroden ist ein durch den Einspritzvorgang gesteuerter Zündfunken.The electrical discharge between the electrodes is a through the Injection process controlled ignition spark.

Im Gegensatz zur Zündung durch einen nicht gesteuerten Einzelfunken bewirkt die hier vorgeschlagene Lösung, daß unabhängig von der Drehzahl und der Laststufe des Motors der eingespritzte Kraftstoffstrahl schon an seiner Spitze entzündet wird.In contrast to ignition by a non-controlled single spark causes the solution proposed here that regardless of the speed and the Load level of the engine, the injected fuel jet ignites at its tip will.

Die günstig gewählte räumliche Anordnung der Elektroden und der bei der erfindungsgemäßen Zündanlage verwirklichbare optimale Zündzeitpunkt haben gemeinsam zur Folge, daß erstens die elektrische Zündung stets mit Sicherheit die Verbrennung einleitet und daß dies zweitens immer im günstigsten, nämlich im frühestmöglichen Zeitpunkt geschieht.The well-chosen spatial arrangement of the electrodes and the at the ignition system according to the invention achievable optimum ignition timing have in common As a result, firstly, the electrical ignition always with certainty the combustion and that, secondly, this is always the most favorable, namely the earliest possible Time happens.

Der Zündfunken wird erfindungsgemäß folgendermaßen durch den Einspritzvorgang gesteuert. An den Elektroden liegt ständig oder jeweils während eines geeignet festgelegten Zeitintervalls eine elektrische Spannung, die gerade nicht ausreicht, die von Luft erfüllte Funkenstrecke zu durchschlagen. Sobald aber die Spitze des eingespritzten Kraftstoffstrahles in den Raum zwischen den Elektroden eindringt (und die elektrische Zündung damit wünschenswert ist), bewirken die einzelnen Kraftstofftröpfchen, deren Dielektrizitätskonstante ja sehr von derjenigen der Luft abweicht, eine starke Änderung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden derart, daß es zu einer Funkenentladung kommt und damit zu einer Entzündung der Strahlspitze im günstigsten Augenblick. Bei dieser elektrischen Zündeinrichtung, die sich auch auf anderen Gebieten der Technik verwenden läßt, steuert der Einspritzstrahl also die elektrische Zündung.According to the invention, the ignition spark is produced as follows by the injection process controlled. Is applied to the electrodes continuously or each time during a suitably set Time interval an electrical voltage that is just insufficient that of air to break through fulfilled spark gap. But once the tip of the injected Fuel jet penetrates into the space between the electrodes (and the electrical Ignition is therefore desirable), the individual fuel droplets cause their Dielectric constant is very different from that of air, a big change of the electric field between the electrodes in such a way that a spark discharge occurs comes and with it an ignition of the jet tip at the most favorable moment. This electrical ignition device, which is also used in other areas of the Using technology, the injection jet controls the electrical ignition.

Claims

Claim: Device for igniting the fuel in air-compressing injection internal combustion engines with external ignition, in which the injection jet is ignited in the vicinity of the injection valve by means of an electrical high-voltage spark plug, characterized in that in front of the nozzle opening of the injection valve (3) in the area in the fuel jet is already ignitable, the electrodes (1 and 2) of the spark plug are arranged in such a way that the fuel jet cone can pass between their tips, and that a high voltage is applied to the electrodes continuously or only during certain periods of time, which is dimensioned so that it breaks through the spark gap as soon as the tip of the fuel jet reduces the dielectric strength of the spark gap. Considered publications: German Patent Nos. 653 525, 907 003, 809 273, 928 499, 905 907, 904 363, 895 078, 889 532, 809 272, 624 529; Austrian Patent No. 179 442; British Patent No. 580,477; . USA. Patent Nos 2,724,371, 2,441,277, 2,255,203, 2,008,803; German patent application K 154822Ia / 46c3.