DE19519663A1

DE19519663A1 - Method for operating IC engine with self=ignition

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Publication number: DE19519663A1
Application number: DE19519663A
Authority: DE
Inventors: Karlwalter Dipl Ing Schmidt; Michael Dr Ing Kraemer
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 1995-05-30
Publication date: 1996-05-15

Abstract

In a first stage, a homogeneous, non-self-igniting, pre-compressed fuel-air mixture is prepared in the work chamber (18). In a second stage, an additional amount of the same fuel is injected into the work chamber, in order to contribute to self-ignition. The first stage involves the preparation of a homogeneous fuel-air mixture by external mixture formation and its introduction into the work chamber for compression up to close to the self-ignition point.In the second stage, the injection of an additional amount takes place of finely atomised fuel, avoiding wall contact and forming a mixture mist (21). In this mist, the fuel-air ratio is not greater than the stoichiometric mixing ratio and self-ignition conditions are reached.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Selbstzündung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for operating a Internal combustion engine with compression ignition according to the generic term of Claim 1.

Es ist bekannt, die Selbstzündung eines im Arbeitsraum vorver dichteten Kraftstoff/Luft-Gemischs dadurch auszulösen, daß ein gegenüber dem bereits im Arbeitsraum befindlichen Kraftstoff zündwilligerer Kraftstoff in einen zusätzlichen Hilfsraum, siehe die deutschen Patentschriften 481 070 und 898 094, oder in den Arbeitsraum selbst, siehe die deutsche Patentschrift 332 524 und die deutsche Auslegeschrift 1 020 484, eingespritzt wird. In der Patentschrift 898 094 wird zusätzlich vorgeschlagen, das vorzu verdichtende Gemisch mit dem weniger zündwilligen Kraftstoff be reits außerhalb des Arbeitsraums, d. h. durch äußere Gemischbil dung, in der Saugleitung eines vorgeschalteten Ladegebläses zu bereiten. In der Auslegeschrift 1 020 484 wird als den Verbren nungsvorgang fördernde Maßnahme vorgeschlagen, den zündwilligeren Kraftstoff gerichtet auf die heißesten Teile im Arbeitsraum, z. B. auf Auslaßventile, aufzuspritzen. Gemeinsam ist diesen Verfahren die Notwendigkeit, zwei unterschiedliche Kraftstoffe bereithalten zu müssen.It is known to pre-ignite the auto-ignition of one in the work space to trigger sealed fuel / air mixture in that a compared to the fuel already in the work area more ignitable fuel in an additional auxiliary room, see German Patents 481 070 and 898 094, or in the Work area itself, see German Patent 332 524 and the German layout specification 1 020 484 is injected. In the Patent specification 898 094 is additionally proposed to do this compressing mixture with the less ignitable fuel riding outside of the workspace, d. H. by external mixture bil dung, in the suction line of an upstream charging fan prepare. In the designation 1 020 484 is called the cremation action promoting the proposed process, the more volatile fuel aimed at the hottest parts in the Workspace, e.g. B. spray on exhaust valves. Together this procedure is the need for two different ones Having to keep fuels ready.

In der deutschen Patentschrift 326 994 wird vorgeschlagen, das bis vor den Selbstentzündungspunkt vorverdichtete Kraft stoff/Luft-Gemisch dadurch zur Selbstzündung zu bringen, daß es plötzlich mit einer hohen Zusatzpressung beaufschlagt wird, so daß die Temperatur im Arbeitsraum die Selbstentzündungstempera tur erreicht. Zur Erzielung der Zusatzpressung ist dort die Aus rüstung des Motorarbeitszylinders mit einem zusätzlichen Hilfs kolben offenbart, der im Totpunkt oder kurz vor Erreichen oder kurz nach überschreiten desselben schlagartig unter Verringerung des Arbeitsraumvolumens vorgeschnellt werden kann.German patent 326 994 proposes that Power pre-compressed up to the self-ignition point Bring substance / air mixture to self-ignition that it suddenly a high additional pressure is applied, so that the temperature in the work area is the autoignition temperature door reached. To achieve the additional pressure there is the off Arming of the engine working cylinder with an additional auxiliary piston reveals the dead center or shortly before reaching or shortly after crossing it abruptly with reduction of the work space volume can be rushed.

In der deutschen Patentschrift 895 393 wird ein Verfahren vorge schlagen, bei dem im Arbeitsraum ein sehr mageres, relativ wenig zündwilliges Kraftstoff/Luft-Gemisch oder Frischluft einem über reichen, ebenfalls relativ wenig zündwilligen Kraftstoff/Luft- Gemisch derart angelagert wird, daß in der Grenzzone zwischen den beiden Gemischen ein zündwilligeres und daher bei Verdichtung selbstzündendes Gemisch entsteht. Dabei wird für beide Gemische jeweils derselbe Kraftstoff verwendet. Bevorzugt werden das sehr magere Gemisch im Arbeitsraum und das überreiche Gemisch in einem mit diesem in Verbindung stehenden Hilfsraum bereitet, jedoch kann letzteres auch im Arbeitsraum selbst durch Einspritzen von Kraftstoff bereitet werden.In the German patent specification 895 393 a method is proposed beat, in the work room a very lean, relatively little ignitable fuel / air mixture or fresh air over one rich, also relatively little ignitable fuel / air Mixture is deposited in such a way that in the border zone between the two mixtures a more ignitable and therefore at Compression of self-igniting mixture occurs. In doing so, both mixtures used the same fuel. Prefers the very lean mixture in the work area and the hand over Mixture in an auxiliary room connected to it prepares, but the latter can also be done in the work room itself Injecting fuel to be prepared.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der deutschen Patent schrift 287 366 bekannt. Bei diesem Verfahren wird zunächst während einer noch weit vom oberen Totpunkt entfernten Kolben hubphase Kraftstoff über eine Einspritzdüse in den gesamten Ar beitsraum verteilt eingespritzt. In einer anschließenden Kolben hubphase wird dann der zuvor mechanisch zerstäubt in den Arbeitsraum eingebrachte Kraftstoff zur Erzielung eines homoge nen Kraft/Luft-Gemischs verdampft, wobei die Verdampfungswärme dem Arbeitsraum bzw. dem diesen begrenzenden Wandungen entzogen wird. Vor Erreichen des Totpunktes wird dann die Zusatzmenge desselben Kraftstoffs über dieselbe Düse eingespritzt. Dabei wird das Gemisch im Arbeitsraum während der weiteren Kompressi onssteigerung bis zur Erzeugung des günstigsten Mischungsver hältnisses mit Kraftstoff angereichert, wobei nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens die Selbstzündung eintritt. Bei diesem Ver fahren ist die genaue Steuerung des Zündzeitpunktes unter anderem deshalb schwierig, weil die Gemischbildung in der ersten Stufe im Arbeitsraum selbst stattfindet und daher diesem die Verdampfungswärme entzogen wird, was die Einstellung einer definierten Anfangstemperatur zu Beginn der Verdichtung er schwert. Diese Anfangstemperatur bestimmt jedoch die Endtempera tur in Totpunktnähe, die wiederum für das Erreichen der Selbst zündung maßgebend ist. Zudem kann es bei dieser gewählten Art der Kraftstoffeinspritzung zu unerwünschten Kraftstoffnieder schlägen an den Wandungen kommen, die den Arbeitsraum begrenzen. Durch die Verwendung der gleichen Einspritzdüse für die Ein spritzung der Kraftstoffzusatzmenge in Totpunktnähe wie für die Kraftstoffhauptmenge erfolgt erstere zwangsweise mit derselben Einspritzcharakterisik, die zu merklicher Wandberührung von Kraftstoff Anlaß gibt. Insgesamt resultiert dies in einem ver gleichsweise hohen Kraftstoffverbrauch und HG Emissionen im Ab gas.A generic method is from the German patent document 287 366 known. This procedure will start with during a piston still far from top dead center stroke phase Fuel through an injection nozzle in the entire area injected into the working area. In a subsequent piston stroke phase is then mechanically atomized into the Working space brought fuel to achieve a homogeneous NEN power / air mixture evaporates, the heat of vaporization withdrawn from the work area or the walls bounding it becomes. Before the dead center is reached, the additional amount is then the same fuel injected through the same nozzle. Here the mixture in the work area during the further compression Increase until the cheapest mix is generated ratio enriched with fuel, being close to the top Dead center of the piston self-ignition occurs. With this ver driving is the precise control of the ignition timing under other difficult because the mixture formation in the first Level takes place in the work room itself and therefore this Evaporation heat is removed, which is the setting of a defined initial temperature at the start of compression sword. However, this initial temperature determines the final temperature ture in the vicinity of the dead center, which in turn is used to achieve self ignition is decisive. In addition, with this selected type fuel injection to undesirable fuel levels strikes on the walls that limit the work space. By using the same injector for the one injection of the amount of fuel added near the dead center as for the The main fuel quantity is forcibly carried out with the same Injection characteristics that lead to noticeable wall contact of Fuel gives rise. Overall, this results in a ver equally high fuel consumption and HG emissions in the Ab gas.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, mit der bei verhältnismäßig geringem technischem Aufwand ein Verbrennungsmotor mit Selbstzündung bei gegebener Leistung relativ verbrauchs- und schadstoffemissionsarm betrieben werden kann.The invention is a technical problem of providing based on a method of the type mentioned at the beginning, with which with relatively little technical effort Combustion engine with auto-ignition for a given power be operated relatively low in consumption and pollutant emissions can.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Verwendung desselben Kraftstoffs sowohl zur Bereitung des vorverdichteten Kraftstoff/Luft-Gemischs als auch für die Zusatzmenge zur Bewirkung der Selbstzündung hat den Vorteil, daß nur eine einzige Kraftstoffsorte bereitgestellt werden muß, was insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen erstrebenswert ist. Durch die Bereitung des ho mogenen Kraftstoff/Luft-Gemischs mittels äußerer Gemischbildung läßt sich die Anfangstemperatur des danach in den Arbeitsraum eingeleiteten Gemischs vor dessen Verdichtung sehr genau steuern. Dies hat wiederum zur Folge, daß auch die Endtemperatur gegen Ende der Vorverdichtungsphase sehr genau eingestellt werden kann, so daß die Vorverdichtung bis zu einem Punkt sehr nahe am Selbstentzündungspunkt erfolgen kann, ohne daß die Ge fahr einer verfrühten Selbstzündung besteht. Denn die Verdampfungswärme wird bei dieser äußeren Gemischbildung Bauteilen außerhalb des Arbeitsraums und damit nicht dem Ar beitsraum selbst oder den diesen begrenzenden Wandungen entzogen. Bei dieser als solche bekannten äußeren Gemischbildung erfolgt die Zugabe des Kraftstoffs in das Ansaugrohr. Zur Auslösung der Selbstzündung wird die Kraftstoffzusatzmenge fein zerstäubt unter Vermeidung von Wandberührungen derart einge spritzt, daß sich eine Gemischwolke bildet, in der einerseits das Kraftstoff/Luft-Verhältnis nicht fetter als das stöchiome trische Mischungsverhältnis ist, so daß unnötiger Kraftstoffver brauch vermieden wird, in der aber andererseits die Selbstzün dungsbedingung erreicht wird. Letzterer Eigenschaft liegt die Tatsache zugrunde, daß die Zündwilligkeit eines mageren, d. h. unterstöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Gemischs bei Annäherung an das stöchiometrische Verhältnis ansteigt. Die eingespritzte Zusatzmenge, die durch die Düse und die Einspritzparameter be stimmte Form der Gemischwolke und der Kraftstoffanteil in der selben sind dabei jeweils abhängig von der konkreten Motorart und Motorgeometrie geeignet zu wählen, um die Selbstzündung zum gewünschten Zeitpunkt zu erreichen. Dies ist dem Fachmann ohne weiteres durch entsprechende Motorabstimmung möglich. Die Ver meidung von Wandberührungen durch den zusätzlich eingespritzten Kraftstoff verhindert die damit einhergehenden, unerwünschten Effekte, wie erhöhter Kraftstoffverbrauch und erhöhte Ver schleißanfälligkeit sowie Abgas-HG-Emissionen. Die Erzeugung der charakteristischen Gemischwolke hat zur Folge, daß in dieser die Selbstzündung eintritt, wodurch eine Druckwelle entsteht, die sich rasch über den gesamten Arbeitsraum fortpflanzt. In dieser Stoßwelle, die sich mit Schallgeschwindigkeit über den gesamten Arbeitsraum fortpflanzt, wird durch den erhöhten Druck auch für das magerere, vorverdichtete Kraftstoff/Luft-Gemisch außerhalb der Wolke die Selbstzündungsbedingung erreicht, so daß ein rascher und gleichmäßiger Verbrennungsvorgang des Kraftstoffs im Arbeitsraum ohne unverbrannten Kraftstoff und ohne merkliche Rußbildung erzielt wird.This problem is solved by a method with the characteristics of Claim 1 solved. The use of the same fuel both to prepare the pre-compressed fuel / air mixture as also for the additional amount to effect auto-ignition Advantage that only one type of fuel is provided must be what, in particular, for use in Motor vehicles is desirable. By preparing the ho mogen fuel / air mixture by means of external mixture formation the initial temperature of the afterwards in the work area introduced mixture very precisely before its compression Taxes. This in turn has the consequence that the final temperature set very precisely towards the end of the pre-compression phase can be so that the pre-compaction to a point very can occur close to the self-ignition point without the Ge there is premature auto ignition. Because the Heat of vaporization occurs during this external mixture formation Components outside the work area and therefore not the work area beitsraum itself or the walls bounding it withdrawn. In this external mixture formation known as such the fuel is added to the intake manifold. For Triggering the auto-ignition makes the fuel additive fine atomized while avoiding touching the wall injected that a mixture cloud forms in the one hand the fuel / air ratio is not richer than the stoichiome is trical mixing ratio, so that unnecessary fuel consumption need is avoided, but in the other hand self-ignition condition is reached. The latter property is the Based on the fact that the ignitability of a lean, i.e. H. sub-stoichiometric fuel / air mixture when approaching increases to the stoichiometric ratio. The injected Amount added by the nozzle and the injection parameters agreed shape of the mixture cloud and the fuel percentage in the The same depend on the specific type of engine and engine geometry suitable to select the auto-ignition to reach the desired time. This is without the expert further possible by appropriate engine tuning. The Ver avoidance of wall contact by the additionally injected Fuel prevents the associated unwanted Effects such as increased fuel consumption and increased ver susceptibility to wear and exhaust gas HG emissions. The generation of the characteristic mixture cloud has the consequence that in this the Auto ignition occurs, which creates a pressure wave that propagates quickly across the entire work space. In this Shock wave that spreads at the speed of sound across the entire Reproduced work space, is also for the increased pressure the leaner, pre-compressed fuel / air mixture outside the cloud reaches the autoignition condition, so that a rapid and even combustion of the fuel in the Work space without unburned fuel and without noticeable Soot formation is achieved.

In Weiterbildung der Erfindung wird nach Anspruch 2 die Kraft stoffzusatzmenge jedenfalls kleiner gehalten als die Nullast menge des Motors, d. h. kleiner als diejenige Kraftstoffmenge, die der Motor zum Betrieb-ohne Last benötigt. Damit wird sicher gestellt, daß bei Nullast auch im Saugrohr für das homogene Ge misch schon eine Kraftstoffmenge <0 eingebracht wird.In a development of the invention, the force according to claim 2 In any case, the amount of substance added was kept smaller than the zero load amount of engine, d. H. less than the amount of fuel, which the motor needs to operate without a load. This will make sure asked that at zero load also in the intake manifold for the homogeneous Ge a fuel quantity <0 is already introduced.

Durch eine in Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 vorge sehene Luftvorerwärmung kann eine erhöhte Anfangstemperatur für das vorzuverdichtende Kraftstoff/Luft-Gemisch bereitgestellt werden, wodurch ein zuverlässiger Motorbetrieb auch in instatio nären Zuständen mit variabler Last oder sich ändernder Motortem peratur problemlos erreicht wird. Beispielsweise kann die Luft vorerwärmung gesteuert mittels eines Ladeluftkühlers erfolgen.In a further development of the invention according to claim 3 Air preheating can increase the initial temperature the fuel / air mixture to be pre-compressed be, which ensures reliable engine operation even in instatio nary conditions with variable load or changing engine temperature temperature is easily achieved. For example, the air preheating controlled by means of an intercooler.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeich nungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:A preferred embodiment of the invention is in the drawing shown and is described below. Here demonstrate:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht aus dem Bereich eines Ar beitsraums eines Verbrennungsmotors mit Selbstzündung zu einem Zeitpunkt nahe des Selbstzündungszeitpunktes und Fig. 1 is a schematic side view from the area of a work room of an internal combustion engine with auto-ignition at a time near the auto-ignition point and

Fig. 2 ein Diagramm des Verlaufs des Drucks im Arbeitsraum als Funktion des Kurbelwinkels für die Anordnung von Fig. 1. FIG. 2 shows a diagram of the course of the pressure in the working space as a function of the crank angle for the arrangement from FIG. 1.

Der in Fig. 1 lediglich mit seinen hier wesentlichen Komponenten schematisch gezeigte Verbrennungsmotor arbeitet nach dem Selbst zündungsprinzip und eignet sich beispielsweise als Kraftfahr zeugantrieb. Der Motor enthält mehrere Zylinder, von denen einer in seinem oberen Bereich gezeigt ist, wobei das Zylindergehäuse (10) und der zugehörige Arbeitskolben (11), der in der Nähe seiner oberen Totpunktstellung gezeigt ist, einen Arbeitsraum (18) begrenzen. An der Zylinderoberseite (13) mündet über ein Einlaßventil (14) ein Ansaugrohr (15) in den Arbeitsraum (18). Im Ansaugrohr (15) wird eine herkömmliche und daher hier nicht näher zu erläuternde äußere Gemischbildung durchgeführt, indem durch Zugabe von Kraftstoff (17) zur angesaugten Luft (16), wie angedeutet, ein Kraftstoff/Luft-Gemisch bereitet wird, das dann über das Einlaßventil (14) in den Arbeitsraum (18) gelangt. Da bei wird warme Luft (16) in nicht näher gezeigter, herkömmlicher Weise über einen Ladeluftkühler mit Bypaß gesteuert temperiert, so daß unabhängig vom jeweiligen momentanen Motorbetriebszustand stets eine etwa konstante Temperatur des in den Arbeitsraum (18) eintretenden Kraftstoff/Luft-Gemischs erreicht wird. Mittig an der Zylinderoberseite (13) ist eine Düse (20) mit zugehöriger Zuleitung (19) angeordnet, über die Kraftstoff in fein zerstäub ter Form derart eingespritzt werden kann, daß sich eine kegel förmige Gemischwolke (21) bildet, welche die den Arbeitsraum (18) begrenzenden Wandungen auch in der Umgebung der oberen Tot punktstellung des Arbeitskolbens (11) nicht berührt. Dabei ist der Arbeitskolben (11) mit einer Ausnehmung (12) versehen, so daß die Gemischwolke (21) einen ausreichenden Abstand zur gegen überliegenden Begrenzungswandung des Arbeitskolbens (11) ein hält.The internal combustion engine shown only schematically in FIG. 1 with its essential components works on the self-ignition principle and is suitable, for example, as a power tool drive. The engine contains a plurality of cylinders, one of which is shown in its upper region, the cylinder housing ( 10 ) and the associated working piston ( 11 ), which is shown in the vicinity of its top dead center position, delimiting a working space ( 18 ). At the top of the cylinder ( 13 ), an intake pipe ( 15 ) opens into the working space ( 18 ) via an inlet valve ( 14 ). In the intake pipe ( 15 ) a conventional and therefore not to be explained here outer mixture formation is carried out by adding fuel ( 17 ) to the intake air ( 16 ), as indicated, a fuel / air mixture is prepared, which then Inlet valve ( 14 ) enters the work space ( 18 ). Since warm air ( 16 ) is controlled in a conventional manner (not shown in more detail) via a charge air cooler with a bypass, so that an approximately constant temperature of the fuel / air mixture entering the working space ( 18 ) is always achieved regardless of the current engine operating state . In the middle of the cylinder top ( 13 ) there is a nozzle ( 20 ) with associated feed line ( 19 ), through which fuel can be injected in a finely atomized form in such a way that a cone-shaped mixture cloud ( 21 ) forms which forms the working space ( 18 ) delimiting walls not in the vicinity of the top dead center position of the working piston ( 11 ). The working piston ( 11 ) is provided with a recess ( 12 ) so that the mixture cloud ( 21 ) maintains a sufficient distance from the opposite boundary wall of the working piston ( 11 ).

Anhand der Fig. 2, die als Diagramm mit willkürlichen Einheiten den im Arbeitsraum (18) herrschenden Druck (p_A) in Abhängigkeit vom Winkel (°) der zum Arbeitskolben (11) gehörigen, nicht ge zeigten Kurbel wiedergibt, wird das Arbeitsverfahren für den Motor nachfolgend näher erläutert. Zunächst wird durch die ge nannte äußere Gemischbildung ein homogenes, mageres Kraft stoff/Luft-Gemisch im Saugrohr (15) bereitet und über das Einlaßventil (14) in den Arbeitsraum (18) gesaugt. Dort wird es an schließend in einer mit (1) bezeichneten Phase relativ hoch bis zu einem Druck (p_AE) verdichtet, der vergleichsweise nahe unter halb desjenigen Druckwertes (p_AS) liegt, bei dem unter den gege benen Bedingungen Selbstzündung eintreten würde. Gegen Ende die ser Verdichtungsphase (1) wird ab einem geeignet gewählten Kurbelwinkel (°_A) mit der Einspritzung der Kraftstoffzusatzmenge über die Einspritzdüse (20) begonnen. Es bildet sich dadurch die Gemischwolke (21) aus, deren Kraftstoffanteil sich aus demjeni gen des bereits im Arbeitsraum (18) vorhandenen, mageren Kraft stoff/Luft-Gemischs zuzüglich des zusätzlich eingespritzten Kraftstoffs ergibt. With reference to FIG. 2, the pressure prevailing in the working chamber (18) pressure (p _A) in dependence on the angle (°) reproduces as a chart with arbitrary units of the crank associated with the working piston (11), not ge showed the working method for the will Engine explained in more detail below. First of all, a homogeneous, lean fuel / air mixture in the intake manifold ( 15 ) is prepared by the ge-mentioned external mixture formation and sucked into the working space ( 18 ) via the inlet valve ( 14 ). There it is then compressed in a phase labeled (1) relatively high up to a pressure (p _AE ) that is comparatively close to below the pressure value (p _AS ) at which auto-ignition would occur under the given conditions. Towards the end of this compression phase ( 1 ), from a suitably selected crank angle (° _A ), the injection of the additional fuel quantity is started via the injection nozzle ( 20 ). As a result, the mixture cloud ( 21 ) is formed, the fuel content of which results from the lean fuel / air mixture already present in the work area ( 18 ) plus the additionally injected fuel.

Die den geschilderten Vorgang bestimmenden Parameter, wie Motor geometrie, Luftvorwärmung und Verlauf der Kraftstoffzusatzein spritzung, sind so abgestimmt, daß die Gemischwolke (21) nicht die den Arbeitsraum (18) umgebenden Wandungen berührt und daß das Kraftstoff/Luft-Verhältnis nicht größer als das stöchiome trische Mischungsverhältnis in der Gemischwolke (21), jedoch an dererseits um so viel größer als dasjenige des magereren Ge mischs im Arbeitsraums (18) außerhalb der Gemischwolke (21) ist, daß für die Gemischwolke (21) die Selbstzündungsbedingung er reicht wird. Dieser Effekt nutzt die Tatsache aus, daß die Zünd willigkeit eines mageren Kraftstoff/Luft-Gemischs mit gegenüber dem stöchiometrischen Mischungsverhältnis kleinerem Kraft stoff/Luft-Verhältnis ist mit Annäherung des Kraftstoff/Luft- Verhältnisses an das stöchiometrische Mischungsverhältnis an steigt. Durch die geeignete Abstimmung und Steuerung der diesen Selbstzündungsvorgang bestimmenden Parameter läßt sich außerdem der Zeitpunkt der Selbstzündungsauslösung, d. h. der entspre chende Kurbelwinkel (°_S), optimal einstellen, wobei dieser opti male Zeitpunkt in den meisten Fällen sehr kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes liegt, dem in Fig. 2 der obere Kurbeltotpunkt winkel (°_T) entspricht.The parameters determining the described process, such as engine geometry, air preheating and the course of the additional fuel injection, are coordinated so that the mixture cloud ( 21 ) does not touch the walls surrounding the working space ( 18 ) and that the fuel / air ratio is not greater than that stoichiometric mixing ratio in the mixture cloud ( 21 ), but on the other hand is so much larger than that of the leaner mixture in the working space ( 18 ) outside the mixture cloud ( 21 ) that the auto-ignition condition is sufficient for the mixture cloud ( 21 ). This effect takes advantage of the fact that the ignition willingness of a lean fuel / air mixture with a smaller fuel / air ratio compared to the stoichiometric mixture ratio increases as the fuel / air ratio approaches the stoichiometric mixture ratio. By suitable coordination and control of the parameters determining this auto-ignition process, the time of auto-ignition initiation, ie the corresponding crank angle (° _S ), can also be set optimally, this optimal time being in most cases very shortly before top dead center is reached, in Fig. 2, the upper Kurbeltotpunkt angle (° _T).

Während ohne eintretende Selbstzündung der Arbeitsraumdruck (p_A) nur noch geringfügig bis zu einem Maximum im oberen Totpunkt (°_T) ansteigen und danach wieder abfallen würde, wie durch die ge strichelte Linie (2) angedeutet, tritt nun in einer an die Selbstzündung der Gemischwolke (21) anschließenden Phase (3) durch diesen Effekt eine weitere Druckerhöhung auf. In dieser Phase (3) breitet sich die zur Gemischwolkenselbstzündung gehörige Stoßwelle mit Schallgeschwindigkeit aus. Dies führt da zu, daß zu einem gewissen Zeitpunkt kurz nach der oberen Tot punktlage (°_T) bei einem höheren Kurbelwinkel (°_M) der Druck im Arbeitsraum (18) auf denjenigen (p_AS) ansteigt, bei dem auch für das magere Kraftstoff/Luft-Gemisch im Arbeitsraum (18) außerhalb der Gemischwolke (21) die Selbstzündungsbedingung erreicht wird. Dadurch erfolgt nun in einer anschließenden Phase (4) der eigentliche Verbrennungsvorgang des gesamten Kraftstoffs im Arbeitsraum (18) entsprechend dem gezeigten Drucküberhöhungsver lauf. Der Schwerpunkt der Verbrennung liegt etwa auf der Hälfte des Druckanstiegs während des eigentlichen Verbrennungsvorgangs (4) und das Brennende liegt kurz hinter dem Druckmaximum. Der Arbeitstakt läuft dann in üblicher Weise weiter, was hier keiner weiteren Erörterung bedarf.While without auto-ignition the working space pressure (p _A ) would only increase slightly up to a maximum at top dead center (° _T ) and then drop again, as indicated by the dashed line ( 2 ), the auto-ignition now occurs in one Mixture cloud ( 21 ) subsequent phase ( 3 ) by this effect on a further pressure increase. In this phase ( 3 ), the shock wave associated with the mixture cloud auto-ignition propagates at the speed of sound. This leads to the fact that at a certain point shortly after the top dead center position (° _T ) at a higher crank angle (° _M ) the pressure in the working space ( 18 ) rises to that (p _AS ), at which also for the lean fuel / Air mixture in the work area ( 18 ) outside the mixture cloud ( 21 ) the auto-ignition condition is reached. This now takes place in a subsequent phase ( 4 ), the actual combustion process of the entire fuel in the work space ( 18 ) according to the pressure increase Ver shown. The focus of the combustion is about half the pressure increase during the actual combustion process ( 4 ) and the end of the fire is just behind the pressure maximum. The work cycle then continues in the usual way, which requires no further discussion here.

Das geschilderte Verfahren ergibt einen insgesamt sehr vorteil haften Verbrennungsvorgang für einen Verbrennungsmotor mit Selbstzündung eines homogenen Kraftstoff/Luft-Gemischs. Ein ent scheidender Vorteil des Verfahrens liegt in der guten Steuerbar keit des Zeitpunkts der Selbstzündung der Gemischwolke (21) und damit auch der anschließenden Selbstzündung des gesamten Kraft stoffs im Arbeitsraum (18), was der Steuerbarkeit des zeitlichen Schwerpunkts der freigesetzten Wärmemenge entspricht. Die an sich bereits bekannten, hervorragenden Eigenschaften einer der artigen Verbrennung eines mageren Gemischs sind damit nun auch problemlos für instationären Motorbetrieb nutzbar. Denn wegen der Schnelligkeit der Verbrennung bei Selbstzündung homogener Gemische sollte diese zuverlässig innerhalb eines kleinen Winkelbereichs nach dem oberen Totpunkt (°_T) stattfinden. Ein zu nahe am oberen Totpunkt (°_T) liegender Zeitpunkt führt zu über mäßig hohen Drücken und Temperaturen, die das Triebwerk belasten und die Wärmeverluste aus dem Brenngas an die Arbeitsraumwände ansteigen lassen. Liegt der Zeitpunkt zu weit nach dem oberen Totpunkt, kommt die Verbrennung nicht mehr zustande. Diese An forderungen der genauen Zündzeitpunkteinstellung für ein selbst zündendes, homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch werden durch das erfindungsgemäße Verfahren sehr gut erfüllt. Das Verfahren stellt eine vielversprechende Lösung der Probleme dar, die eine Anwendung des Prinzips der Selbstzündung homogener Kraft stoff/Luft-Gemische gerade bei instationär betriebenen Motoren bisher wenig praktikabel machten. Insbesondere entfällt die Not wendigkeit einer äußerst genauen Einstellung der Gemischtempera tur zu Beginn der Kompression, da das anfängliche Gemisch nur bis vor den Selbstzündungspunkt verdichtet und die Selbstzündung anschließend durch die Gemischwolke ausgelöst wird. Dies macht gleichzeitig unabhängiger von komplexen und nur schwer erfaßbaren lastabhängigen Wärmeeinflüssen von den Arbeitsraum wänden auf das Gemisch während der Kompression.The described method results in an overall very advantageous combustion process for an internal combustion engine with self-ignition of a homogeneous fuel / air mixture. A decisive advantage of the method lies in the good controllability of the point in time when the mixture cloud ( 21 ) auto-ignites and thus also in the subsequent auto-ignition of the entire fuel in the work space ( 18 ), which corresponds to the controllability of the time focus of the amount of heat released. The already known, excellent properties of the type of combustion of a lean mixture can now be used without problems for transient engine operation. Because of the speed of combustion when self-igniting homogeneous mixtures, this should take place reliably within a small angular range after top dead center (° _T ). A point of time too close to the top dead center (° _T ) leads to moderately high pressures and temperatures, which stress the engine and cause the heat losses from the fuel gas to rise to the work area walls. If the time is too far after top dead center, the combustion no longer takes place. These requirements for the precise ignition timing for a self-igniting, homogeneous fuel / air mixture are very well met by the inventive method. The method represents a promising solution to the problems that have so far made it practically impractical to apply the principle of self-ignition of homogeneous fuel / air mixtures, particularly in the case of non-stationary engines. In particular, there is no need for an extremely precise adjustment of the mixture temperature at the start of the compression, since the initial mixture only compresses up to the self-ignition point and the auto-ignition is then triggered by the mixture cloud. At the same time, this makes it more independent of complex and difficult to detect load-dependent heat influences from the work space walls on the mixture during compression.

Als weiterer Vorteil besitzt das erfindungsgemäße Verbrennungs verfahren einen extrem guten Wirkungsgrad, da aufgrund minimaler Brenngasbewegung während der Verbrennung bei gleichzeitig hoher Verdichtung nur wenig Wandwärmeverluste und außerdem durch die Möglichkeit, wie beim Dieselmotor mit einer Qualitätsregelung fahren zu können, nur vernachlässigbare Ladungswechselverluste bei Teillast auftreten. Zudem entstehen bei diesem Verfahren vergleichsweise wenig Abgasschadstoffe, wie Kohlenmonoxid, un verbrannte Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Ruß. Die Anteile an Kohlenmonoxid und unverbranntem Kohlenwasserstoff im Abgas sind bei Verbrennung magerer Gemische von sich aus gering. Die Stickoxidemission entsteht in nennenswertem Umfang erst bei Tem peraturen oberhalb von 1.500°C. Durch die verfahrensgemäße Selbstzündung wird die Wärme den Brenngasen überall gleichzeitig zugeführt. Im Arbeitsraum gibt es im Gegensatz zum Otto- und Dieselverfahren keine heiße Zone, in der gerade Verbrennung stattfindet oder stattgefunden hat, mit gleichzeitigen kalten Zonen, in denen noch keine Verbrennung stattfand. Die Wärme wird durch die im gesamten Arbeitsraum vergleichsweise gleichzeitig ausgelöste und ablaufende Verbrennung den Brenngasen synchron zugeführt. Bei mageren Gemischen werden dabei auch die über schüssigen Luftanteile synchron mit aufgeheizt. Dies hat zur Folge, daß die Gastemperaturen mit magerer werdendem Gemisch im mer niedriger werden, so daß bei einem Lambdawert größer unge fähr zwei die Brenngastemperatur die Grenze von 1.500°C unter schreitet, wodurch dann auch eine sehr geringe Stickoxidemission erzielt wird. Die eingespritzte Kraftstoffzusatzmenge bleibt da bei stets unterhalb der Nullastmenge des jeweiligen Motors, so daß gewährleistet ist, daß auch in Nullastbetriebsphasen nicht zu viel Kraftstoff verbraucht wird. Beim erfindungsgemäßen Ver fahren sind die Anforderungen an die Einstellung der Ansaugluft temperatur auf die Anpassung an langsame Vorgänge wie Außentem peraturänderung und Motorwarmlauftemperaturen beschränkt, wäh rend die schnellen Einflüsse auf den Selbstzündungszeitpunkt, wie sie bei instationärem Betrieb auftreten, durch die zweite Verdichtungsstufe mit Bildung und Selbstzündung der Gemischwolke gesteuert werden können.The combustion according to the invention has a further advantage process an extremely good degree of efficiency, since due to minimal Movement of fuel gas during the combustion at the same time high Compression only little wall heat loss and also through the Possibility, as with the diesel engine with a quality control to be able to drive, only negligible gas exchange losses occur at partial load. This process also creates comparatively little exhaust pollutants, such as carbon monoxide, un burned hydrocarbons, nitrogen oxides and soot. The shares of carbon monoxide and unburned hydrocarbon in the exhaust gas are inherently low when burning lean mixtures. The Significant nitrogen oxide emissions only arise at tem temperatures above 1,500 ° C. By the procedural Autoignition becomes the heat of the fuel gases everywhere at the same time fed. In contrast to the Otto and Diesel process no hot zone in the straight combustion takes place or has taken place, with simultaneous cold Zones in which no combustion has yet taken place. The warmth will by being comparatively simultaneous in the entire work area triggered and ongoing combustion synchronized with the fuel gases fed. In the case of lean mixtures, the over shot air portions synchronized with heated. This has to Consequence that the gas temperatures with leaner mixture in mer become lower, so that with a lambda value larger two the fuel gas temperature below the limit of 1,500 ° C steps, which then also a very low nitrogen oxide emission is achieved. The amount of fuel injected remains there always below the zero load quantity of the respective engine, so that it is guaranteed that not even in no-load operating phases too much fuel is consumed. In the Ver driving are the requirements for the adjustment of the intake air temperature to adapt to slow processes such as outside temp temperature change and engine warm temperatures limited, wuh rend the fast influences on the ignition timing, as they occur in non-stationary operation, by the second Compression stage with formation and self-ignition of the mixture cloud can be controlled.

Claims

1. Method for operating an internal combustion engine with auto ignition, in which

- In a first stage, a homogeneous, not self-igniting before compressed fuel / air mixture in the work space ( 18 ) is provided and
in a second stage, an additional quantity of the same fuel is injected into the work space in order to bring about the self-ignition,

characterized in that

- The first stage involves the preparation of a homogeneous fuel / air mixture by external mixture formation and the introduction of the same into the work space ( 18 ) and subsequent compression up to close to the self-ignition point and
- In the second stage, the injection of the additional quantity is finely atomized, avoiding contact with the wall and forming a mixture cloud ( 21 ), in which the fuel / air ratio is not greater than the stoichiometric mixture ratio and in which the self-ignition condition is achieved.

2. The method of claim 1, further characterized in that the additional quantity chosen is smaller than the zero load quantity of the engine becomes.

3. The method of claim 1 or 2, further characterized in that the air used for external mixture formation is preheated.