DE19714796A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entflammung sehr magerer Kraftstoff-Luft-Gemische bei Ottomotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entflammung sehr magerer Kraftstoff-Luft-Gemische bei Ottomotoren mit Fremdzündung mit Anreicherung des Gemischs mit Kraftstoff im Bereich der Zündelektroden und weiterhin verschiedene, zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen mit Funkenzündeinrichtungen und insbesondere Vorkammer-Funkenzündeinrich­ tungen, mit denen einerseits eine besonders weitgehende Gemischanreicherung an der Zündstelle, sowie andererseits eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Gemischzusammensetzung und Ho­ mogenisierung im Bereich des Zündfunkens erreicht wird.

Zur Zündung eines weitgehend homogenen Gemischs mit sehr großer Verdünnung mit Luft und/ oder Abgas in Ottomotoren ist es beispielsweise aus DE-A 26 11 057 und DE-A 37 09 976 bekannt, Zusatzkraftstoff oder ein fettes Kraftstoff-Luft-Zusatzgemisch als sogenannte Schicht­ ladung in eine Vorkammer einzubringen. Diese Verfahren erfordern ein zusätzliches Kraftstoff­ zuführungssystem bzw. Gemischbildungssystem mit einer komplizierten Ventilsteuerung. Nach­ teilig an diesem Verfahren ist zudem die hohe thermische Belastung des mit der Vorkammer ver­ bundenen und über den Kammerdruck gesteuerten Ventils, da in der Vorkammer sehr hohe Tem­ peraturen auftreten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Vermischung des in die Vorkam­ mer eingegebenen Zusatzkraftstoffs bzw. Zusatzgemischs nur ungenügend und zu langsam statt­ findet, so daß es zu schwankenden Entflammungen und damit zu schwankenden Energieumsetzun­ gen im Hauptbrennraum kommt.

Ein weiteres Verfahren mit deutlich verbesserten Entflammungsbedingungen ist das Schichtladungs­ verfahren mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, wie es z. B. in DE-A 44 15 073 und EP-A 0 639 703 beschrieben ist. Um einen möglichst geringen Kraftstoffverbrauch zu erzielen, wird bei diesem Ver­ fahren bei Betrieb des Motors im Teillastbereich, der gesamte Kraftstoff unmittelbar vor dem Zünd­ zeitpunkt so eingespritzt, daß sich zum Zeitpunkt der Zündung ein besonders gut zündfähiges Kraft­ stoff-Luft-Gemisch an der Zündstelle einstellt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß sich beson­ ders hohe NOx-Emissionen und HC-Emissionen ergeben, wobei beide Schadstoffe bisher nur unbefriedigend durch eine katalytische Abgasnachbehandlung vermindert werden können, da die bisher entwickelten Katalysatoren noch nicht wirksam genug sind (NOx) bzw. die Abgastempera­ turen zu niedrig sind (HC).

Durch eine frühe Direkteinspritzung der Hauptmenge des Kraftstoffs während des Ansaugvor­ gangs für die Verbrennungsluft, kann mit der Direkteinspritzung ein mageres und weitgehend homogenes Gemisch erzeugt werden. In Verbindung mit einer weiteren Kraftstoffeinspritzung während des Kompressionstaktes ist es möglich, zum Zündzeitpunkt an der Zündstelle ein sicher zündfähiges Gemisch zu erhalten. Wird dabei der Kraftstoffstrahl direkt auf die Zündkerze gerich­ tet, dann ergeben sich sehr hohe Anforderungen an das Einspritzsystem hinsichtlich Einspritzstrahl­ bild, Kraftstoffaufbereitung, Einspritzzeit und Einspritzdauer. Bisher kann eine Verschmutzung der Einspritzdüse und damit eine Änderung des Strahlbildes im Langzeitbetrieb nicht verhindert werden. Zudem besteht die Gefahr der Verrußung der Zündkerze. Ein weiterer Nachteil ist der, daß nach Funkenzündung der durch den Einspritzstrahl erzeugten "Gemischwolke" diese nur verzögert aus­ brennen kann, da eine Beschleunigung der Verbrennung innerhalb der Gemischwolke nur mit einer gesteigerten Ladungsturbulenz im Brennraum zu erreichen ist. Eine solche Maßnahme führt aber zu einer Verminderung der Gemischanreicherung im Zündfunkenbereich, die nur durch die Zufuhr einer erhöhten Kraftstoffmenge ausgeglichen werden kann. Das aber führt wiederum zu erhöhten NOx-Emissionen des Motors.

Zur Vermeidung dieser Probleme wurde in EP-A 0463 613 vorgeschlagen, den Kraftstoff auf eine der Zündstelle vorgelagerte halbkugelförmige Kolbenmulde zu spritzen und mit Hilfe der Ladungsbewegung ein Abdampfen des Kraftstoffs in Richtung auf eine Zündkerze zu bewirken, die in einer der halbkugelförmigen großen Mulde nachgeschalteten zweiten halbkugelförmigen, zur großen Mulde hin geöffneten kleinen Mulde zum Zündzeitpunkt eintaucht. Auch bei diesem Ver­ fahren wird zur Sicherstellung einer befriedigenden Entflammung eine größere Kraftstoffmenge benötigt, da nur ein geringer Teil des eingespritzten Kraftstoffs das engere Gebiet um die Zünd­ kerzenelektroden erreicht, so daß sich auch bei diesem Verfahren eine unbefriedigend hohe NOx-Emission des Motors ergibt. Zudem ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der nach der Zündung entstehenden Flammenfront wegen der geringen Ladungsbewegung sehr niedrig. Dadurch ergibt sich eine unbefriedigende Gemischaufbereitung an der Zündstelle mit der Gefahr der Rußbildung. Weiterhin besteht wegen der einseitig im Kolben des Motors angeordneten Kolbenmulden eine unsymmetrische mechanische und thermische Belastung des Kolbens.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren aufzuzei­ gen und zur Durchführung des Verfahrens geeignete Zündvorrichtungen zu schaffen, durch das bzw. durch die es möglich wird, eine besonders geringe Zusatzmenge an Kraftstoff zu verwenden und trotzdem eine sichere Zündung durch eine Gemischanreicherung an der Zündstelle sowie eine schnelle und gleichmäßige Verbrennung des gesamten im Brennraum befindlichen, im Mittel sehr mageren Gemischs, zu erreichen, wobei eine sehr gute Laufruhe und eine niedrige NOx-Emission des Motors erreicht wird. Zudem entsteht dabei eine für die katalytische Abgasnachbehandlung ausreichend hohe Abgastemperatur. Weitere Aufgaben sind: Die Verminderung der thermischen Belastung der Zündeinrichtung, eine einfache, kostengünstige und hinsichtlich Genauigkeitsanforde­ rungen robuste Steuerung der Kraftstoffzufuhr und des Zündwinkels sowie die Erzielung symmetri­ scher Zündungs- und Verbrennungsverhältnisse, was zur Verminderung der thermischen Belastung des Kolbens und der Klopfneigung eines Motors führt.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist ein Verfahren zur Entflammung sehr magerer Kraftstoff-Luft-Ge­ mische mit Anreicherung des Gemischs mit Kraftstoff im Bereich der Zündelektroden. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Funkenzündung vorgelager­ ten Prozeßstufe Zusatzkraftstoff auf die Oberfläche einer kleinen Kolbenmulde und deren Umge­ bung auf den Kolbenboden und/oder in Form von mit Kraftstoff angereichertem Gemisch in die Kolbenmulde oder in deren Umgebung transportiert bzw. gespritzt wird und nach mindestens teil­ weiser Verdampfung des noch wandangelagerten Kraftstoffs und weiterer Vermischung mit dem vorhandenen, mit Kraftstoff angereicherten Gemisch, nach Eintauchen einer Funkenzündeinrichtung mit Zündelektrode in die Kolbenmulde, gezündet wird.

Die lokale Anreicherung des im Brennraum vorhandenen sehr mageren und weitgehend homoge­ nen Grundgemischs mit Kraftstoff wird entweder durch eine gezielte Steuerung der Saugrohrein­ spritzung (späte Einspritzung einer Teilmenge in das geöffnete Einlaßventil) oder durch Direktein­ spritzung einer kleinen Kraftstoffmenge in den Brennraum in Richtung auf die Kolbenmulde deut­ lich vor dem Zündzeitpunkt erzeugt. Während des weiteren Verdichtungsvorgangs verdampft der teilweise noch wandangelagerte Kraftstoff als Folge der heißen Kolbenoberfläche, wobei eine durch die Drucksteigerung im Brennraum erzeugte Strömung große Teile des in der Umgebung der Mulde befindlichen, mit Kraftstoff angereicherten Gemischs in die Kolbenmulde transportiert.

Noch vor Erreichen des Zündzeitpunkts taucht eine Funkenzündeinrichtung in die Kolbenmulde ein, wobei zum Zündzeitpunkt im Bereich des Zündfunkens ein gegenüber dem sehr mageren Grundgemisch (mit z. B. 70% Luftüberschuß) ein deutlich mit Kraftstoff angereichertes Gemisch und damit besser zündfähiges Gemisch mit z. B. stöchiomtrischer Zusammensetzung an der Zünd­ stelle vorliegt. Durch die Zwischenspeicherung des Kraftstoffs in der Kolbenmulde und deren nähe­ rer Umgebung wird eine weitgehende Homogenisierung des Gemischs am Zündort erreicht.

Die Erfindung betrifft weiterhin verschiedene zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrich­ tungen mit Funkenzündeinrichtungen und insbesondere Vorkammer-Funkenzündeinrichtungen, mit denen einerseits eine besonders weitgehende Gemischanreicherung an der Zündstelle, sowie ande­ rerseits eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Gemischzusammensetzung und Homogenisierung im Bereich des Zündfunkens erreicht wird. Gleichzeitig kann durch die von der Vorkammer-Zünd­ einrichtung erzeugten Zündfackeln eine besonders schnelle und gleichmäßige Verbrennung des besonders mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs bei geringen Schadstoffemissionen erreicht werden.

Die Erfindung wird nachstehend näher unter Einschluß der anliegenden Unteransprüche erläutert.

Die Vorteile des Verfahrens kommen besonders dann zur Geltung, wenn zur Erzeugung des mit Kraftstoff angereicherten Gemischs in der Kolbenmulde eine Kraftstoff-Direkteinspritzung verwen­ det wird, bei der ein schlanker Einspritzstrahl direkt auf die Kolbenmulde gerichtet ist.

Ein zusätzlicher Vorteil hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Motorleistung ist dann gegeben, wenn die Direkteinspritzung gleichzeitig zur Erzeugung eines weitgehend homogenen Gemischs während des Ansaugtaktes des Motors verwendet wird, d. h. wenn die Einspritzanlage zur Erzeugung einer "frühen" und einer "späten" Einspritzung dient.

Zur Funkenzündung des Gemischs in der Kolbenmulde kann neben einer üblichen Zündkerze mit mindestens einer fingerförmigen Masseelektrode auch eine Anordnung gewählt werden, bei der die Masseelektrode stiftförmig in den Kolben eingelassen ist. Bei der letztgenannten Variante ent­ fällt der die Verbrennung in der Anfangsphase störende Einfluß der Massenelektrode. Zur Zün­ dung kann selbstverständlich auch eine andere Funkenzündeinrichtung ohne störenden Einfluß der Masseelektrode eingesetzt werden, wie z. B. eine Gleitfunken-Zündeinrichtung, bei der der Zünd­ funken auf dem Keramik-Steinfuß der Zündkerze erzeugt wird.

Besondere Vorteile hinsichtlich der Kraftstoffaufbereitung bei niedriger Temperatur der Kolben­ oberfläche und/des Kraftstoff-Luft-Gemischs ergeben sich dann, wenn zur Zündung eine Vorkam­ mer-Funkenzündeinrichtung verwendet wird. Hierbei befindet sich die Zündstelle innerhalb einer mit Spiel an die Kolbenmulde angepaßten, im wesentlichen zylindrischen Vorkammer. Beim Ein­ tauchen der Vorkammer in die Kolbenmulde entwickeln sich zwischen dieser und der Vorkammer-Außen­ wand sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten. Dadurch wird der evtl. auf der Oberfläche der Kolbenmulde vor dem Eintauchen der Vorkammer noch verbliebene Rest an flüssigem Kraft­ stoff abgetragen und zerstäubt.

Ein weiterer Vorteil der Vorkammer-Funkenzündeinrichtung ist der, daß nach Zündung des in der Kammer befindlichen Gemischs Zündfackelstrahlen erzeugt werden, die sich radial von der Vorkammer in den weiteren Brennraum hinein ausbreiten. Dieser Vorgang führt zu einer besonders gleichmäßigen und schnellen Verbrennung des restlichen sehr mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs und niedrigen NOx-Emissionen.

Besondere Vorteile ergeben sich dann, wenn die Vorkammer als Wirbelkammer ausgebildet ist, bei der das Gemisch vollständig oder zum größten Teil über tangential verlaufende Überströmka­ näle in die Wirbelkammer gelangt. Bei diesem für die Zündung eines homogenen Gemischs be­ kannten Verfahrens entsteht durch die in der Wirbelkammer um die Hauptachse rotierenden Strö­ mung eine Fliehkraft, die zu einer Gemischanreicherung mit Kraftstoff im Bereich der zur Innen­ wand der Wirbelkammer hin gerichteten Funkenzündstrecken führt.

Um den Anteil des aus der Kolbenmulde in die Wirbelkammer hinein geförderten, mit Kraftstoff angereicherten Gemischs zu erhöhen, sind im vorderen Bereich der Wirbelkammer an den Außen­ wänden Längsnuten angeordnet, die von der Stirnseite der Wirbelkammer bis zu den Überström­ kanälen reichen. Zusätzlich ist es sehr vorteilhaft, im zentralen stirnseitigen Bereich der Wirbel­ kammer eine Bohrung anzuordnen, über die das besonders mit Kraftstoff angereicherte Gemisch aus dem unteren Bereich der Kolbenmulde zentral in Richtung auf den Querschnitt mit den Zünd­ elektroden gelenkt wird. Durch beide Maßnahmen ist es möglich, die zur Ladungsschichtung im Bereich der Kolbenmulde notwendige Kraftstoffmenge gering zu halten.

Als Folge der Wirbelströmung in der Wirbelkammer ergibt sich in dieser eine schnelle Energieum­ setzung. Dementsprechend werden Zündfackeln mit hoher Austrittsgeschwindigkeit erzeugt. Insge­ samt ist dadurch die Verträglichkeit gegenüber größeren Luftzahländerungen an der Zündstelle sehr gut. Auch bei großen Luftzahlen oder in Verbindung mit einer zusätzlichen Abgasrückführung ergibt sich eine besonders gute Gleichmäßigkeit bei der Energieumsetzung. Das gilt auch bei Verwendung eines extrem späten Zündzeitpunktes, der zur Erzeugung einer besonders hohen Abgastemperatur während des Warmlaufs notwendig sein kann, um ein besonders schnelles Anspringen des Katalysa­ tors nach dem Kaltstart zu erreichen.

Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele und wichtige Merkmale der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigen in

Fig. 1 eine Anordnung für die Zündung mit üblicher Funkenzündeinrichtung mit besonders langen Elektroden zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung,

Fig. 2 die Anordnung für die Zündung mit üblicher Funkenzündeinrichtung mit besonders langen Elektroden nach Fig. 1 im oberen Totpunkt des Kolbens (OT) unmittelbar nach Einleitung der Zündung,

Fig. 3 eine Anordnung für die Zündung mit einem in der Kolbenmulde angeordneten Metallstift, der als Masseelektrode dient,

Fig. 4a eine Anordnung mit zylindrischer Vorkammer-Funkenzündeinrichtung mit Zündung im Zentralbereich der Vorkammer,

Fig. 4b einen Schnitt durch die Anordnung mit zylindrischer Vorkammer-Funkenzündeinrichtung mit Zündung im Zentralbereich der Vorkammer nach Fig. 4a,

Fig. 5a eine Anordnung mit zylindrischer Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung mit Mehrfach­ zündung im Wandbereich der Wirbelkammer mit tangential verlaufenden Überströmkanälen,

Fig. 5b einen Schnitt durch die Anordnung mit zylindrischer Wirbelkammer-Funkenzündeinrich­ tung mit Mehrfachzündung im Wandbereich der Wirbelkammer mit tangential verlaufenden Überströmkanälen nach 5a.

In Fig. 1 ist eine beispielhafte Anordnung für das Verfahren zur Entflammung sehr magerer Kraft­ stoff-Luft-Gemische dargestellt, bei der eine Funkenzündeinrichtung mit besonders langen Elek­ troden (1) verwendet wird, die im wesentlichen zentral zu einem durch den Zylinderkopf (2), den Kolben (3) und der Zylinderwand (4) gebildeten Brennraum des Motors angeordnet ist. Der Kol­ ben (3) ist in einer Stellung während des Kompressionsvorgangs gezeigt, in der der Kraftstoff von einer Einspritzdüse (5) im wesentlichen in Richtung auf die Kolbenmulde (6) gespritzt wird. Das kann z. B. je nach Brennverfahren, Ventilanordnung, Kraftstoffstrahlwinkel usw. bei einem Kurbel­ winkel des Motors zwischen 40 und 80° KWv OT sein und sich z. B. über 15° KW hinziehen.

Innerhalb der Grenzen des Kraftstoffstrahls ist die Kraftstoffdichteverteilung i.a. annähernd durch eine Normalverteilung (8) zu beschreiben, wobei besonders große Kraftstofftropfen sich im Kern­ bereich des Kraftstoffstrahls befinden. In Verbindung mit einer kurzen Einspritzdauer z. B. 0,5-1,0 ms läßt sich sicherstellen, daß bis in den Bereich hoher Drehzahlen hinein, der Kolben während des Einspritzvorgangs nur einen kleinen Hub durchläuft, so daß größte Anteile des Kraftstoffs innerhalb der Kolbenmulde oder in der unmittelbaren Umgebung der Mulde wandangelagert werden bzw. sich als mit Kraftstoff angereichertes Gemisch in der Kolbenmulde befinden oder der Kolben­ mulde vorgelagert werden.

Während des weiteren Kompressionsvorgangs, d. h. der weiteren Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Ge­ mischs im Brennraum, erwärmt sich der auf der Kolbenoberfläche in und außerhalb der Kolben­ mulde wandangelagerte Kraftstoff und verdampft. Zudem kommt es zu einer ausgeprägten Ladungs­ bewegung aus dem Hauptbrennraum heraus in Richtung auf den Muldenboden, wodurch die der Mulde vorgelagerten Kraftstoffanteile zum großen Teil ebenfalls in die Kolbenmulde transportiert werden.

Um den Anteil des durch die Kraftstoffeinspritzung in die Kolbenmulde gelangenden Kraftstoffs zu erhöhen, kann die Kolbenmulde am oberen Rand in Einspritzrichtung des Kraftstoffs eine Abschrä­ gung (9) aufweisen.

In Fig. 2 ist die Anordnung nach Fig. 1 im oberen Totpunkt (OT) des Kolbens unmittelbar nach Einleitung der Zündung dargestellt. Als Folge der schnellen Kolbenbewegung in Richtung auf den oberen Totpunkt des Kolbens (OT) unmittelbar vor der Zündung, kommt es in der Kolbenmulde zu einer intensiven Ladungsbewegung, wobei aber ein Stoffaustausch mit dem Hauptbrennraum weitgehend unterdrückt ist, so daß sich im Bereich der Zündelektroden zum Zündzeitpunkt ein vergleichsweises homogenes und gegenüber der Gemischzusammensetzung im Hauptbrennraum mit Kraftstoff angereichertes Gemisch gebildet hat.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten weiteren Beispiel dient ein zentral in der Kolbenmulde angeordneter Metallstift als Masseelektrode für die Funkenzündeinrichtung. Bei dieser Anordnung ergibt sich eine besonders geringe störende Wirkung der Elektroden auf die Flammenausbreitung. Die in der OT-Stellung des Kolbens gezeigte Anordnung führt entsprechend der Abhängigkeit des Zündwinkels vom Motor-Betriebspunkt zu einem veränderlichen und im Mittel besonders großen Elektrodenabstand. Durch die Wahl einer angepaßten Zündanlage mit hohem Spannungsangebot und geringer Nebenschlußempfindlichkeit werden besonders gute Zündeigenschaften erreicht.

In Fig. 4a ist der Schnitt durch eine Vorkammer-Funkenzündeinrichtung mit Zündung im Zentral­ bereich der Vorkammer in der OT-Stellung des Kolbens dargestellt. Hierbei wird beim Eindrin­ gen der zylindrischen Zündkammer in die Kolbenmulde, das in der Kolbenmulde und insbesonde­ re im Bodenbereich der Kolbenmulde befindliche, mit Kraftstoff angereicherte Gemisch durch die im Boden befindlichen Öffnungen (13) in die Vorkammer hineingedrückt und in den Bereich der Zündstelle (12) gelenkt. Ein evtl. noch an den Wänden der Kolbenmulde befindlicher flüssiger Kraftstoffanteil wird durch die große Strömungsgeschwindigkeit zwischen Vorkammer und Kol­ benmulde entfernt und zerstäubt, wobei dieses Gemisch dann entweder in die Zündkammer oder seitlich an der Zündkammer vorbeigelenkt wird. Danach erreicht ein Teil des seitlich entweichenden, mit Kraftstoff angereicherten Gemischs über die radialen Bohrungen der Zündkammer (14) noch die Vorkammer.

Zur Verbesserung der Entflammung des Gemischs in der Vorkammer können die Zündelektroden (15, 16) im vorderen Bereich verdünnt sein und z. B. aus Edelmetall bestehen oder als Edelmetall beschichtete Elektroden ausgebildet sein.

Nach Einleitung der Zündung werden radial aus der Zündkammer über die Bohrung (14) austre­ tende Zündfackeln erzeugt, die eine schnelle und gleichmäßige Verbrennung des Gemischs im Hauptbrennraum bewirken. Gleichzeitig tritt zunächst unverbranntes und nachfolgend verbranntes, mit Kraftstoff angereichertes Gemisch über die im Bodenbereich der Zündkammer befindlichen Öffnungen (13) aus und preßt zunächst das unverbrannte und später das verbrannte Gemisch durch den Ringspalt zwischen Zündkammer und Kolbenmulde. Durch dieses Gemisch und das während des Verdichtungstaktes in der Umgebung der Vorkammer angesammelte, mit Kraftstoff angereicherte Gemisch sowie durch die große Ladungsbewegung ergibt sich in der weiteren Um­ gebung der Vorkammer eine intensive Verbrennung, die zusätzlich dazu beiträgt, eine sichere und gleichmäßige Entflammung des sehr mageren Kraftstoff-Luft-Gemischs im weiteren Umfeld der Zündkammer zu erreichen.

Die auf der Stirnseite der Zündkammer austretenden Verbrennungsgase bewirken auch bei nied­ rigen Kolbentemperaturen, wie sie z. B. während des Warmlaufs des Motors vorliegen, eine vollständige Verbrennung aller vor Einleitung der Zündung in der Kolbenmulde möglicherweise noch befindlichen flüssigen Kraftstoffreste. Gleichzeitig kommt es zu einer schnellen Erwärmung der Kolbenmulde, so daß sehr frühzeitig nach einem Kaltstart des Motors ein extrem magerer Motorbetrieb durchgeführt werden kann.

Fig. 4b zeigt einen Schnitt durch die Anordnung nach 4a in Höhe der radialen Bohrungen (14).

Fig. 5a zeigt eine weitere Variante einer Vorkammer-Funkenzündeinrichtung in Form einer Wir­ belkammer-Funkenzündeinrichtung, mit der durch die Erzeugung einer Drallströmung durch tan­ gential angeordnete Überströmkanäle (17) und Verwendung einer Mehrfach-Mittelelektroden­ einrichtung (18), mit der mehrere Zündfunkenstrecken (19) zur im wesentlichen zylindrischen Innenwand der Wirbelkammer (20) erzeugt werden, noch besonders magere Gemische sicher entflammt werden können. Damit ist es möglich, größere Schwankungen der Luftzahl an der Zündstelle, wie sie z. B. im Zusammenhang mit instationären Fahrzuständen auftreten können, sicher zu beherrschen.

Der Mechanismus der Wirbelkammerzündung wird u. a. in EP-A 0 675 272 beschrieben.

Um einerseits eine besonders weitgehende Gemischanreicherung an der Zündstelle und anderer­ seits eine besonders gute Reproduzierbarkeit der Gemischzusammensetzung und Homogenisierung im Bereich des Zündfunkens zu erreichen- wird während des Eintauchens der Zündkammer in die Kolbenmulde zum einen durch eine zentrale Bohrung (21) aus dem Bodenbereich der Kolben­ mulde (22) mit Kraftstoff angereichertes Gemisch in den zentralen Bereich des Querschnitts im Bereich der Zündelektroden gelenkt. Zum anderen wird über die tangentialen Überströmkanäle (17) ebenfalls mit Kraftstoff angereichertes Gemisch aus dem Boden- und Seitenbereich der Kol­ benmulde tangential in die Wirbelkammer gelenkt, wobei dieses Gemisch um die Hauptachse der Wirbelkammer rotiert und den zentralen, durch die Eintrittsöffnungen (21) gebildeten Strahl umgibt. Damit ergibt sich im gesamten Querschnitt der Zündungsebene ein besonders gut mit Kraftstoff an­ gereichertes Gemisch.

Um das über die tangential angeordneten Überströmkanäle (17) strömende Gemisch in besonders hohem Maße mit Kraftstoff anzureichern, sind auf der Außenseite des unteren Bereichs der Wirbel­ kammer Nuten (23) angeordnet, die das angereicherte Gemisch aus dem Bodenbereich während des Eindringens der Zündkammer in die Kolbenmulde vor die Überströmkanäle (17) lenken.

Fig. 5b zeigt einen Schnitt der Anordnung nach 5a in Höhe der tangentialen Überströmkanäle.

Claims (25)

1. Verfahren zur Entflammung sehr magerer, mit Luft und/oder Abgas verdünnter Kraftstoff-Luft-Gemische mit Anreicherung des Ge­ mischs mit Kraftstoff im Bereich der Zündelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Funkenzündung vorgelagerten Prozeßstufe Zusatzkraftstoff auf die Oberfläche einer kleinen Kol­ benmulde und deren Umgebung auf den Kolbenboden und/oder in Form von mit Kraftstoff ange­ reichertem Gemisch in die Kolbenmulde oder in deren Umgebung transportiert bzw. gespritzt wird und mindestens teilweiser Verdampfung des noch wandangelagerten Kraftstoffs und weiterer Ver­ mischung mit dem vorhandenen, mit Kraftstoff angereicherten Gemisch nach Eintauchen einer Fun­ kenzündeinrichtung mit Zündelektrode in die Kolbenmulde gezündet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in und in der Umgebung der kleinen Kolbenmulde wandangelagerte Kraftstoff und die Gemischanreicherung in und in der Um­ gebung durch eine teilweise Einspritzung des Kraftstoffs durch das geöffnete Einlaßventil erzeugt werden, wobei der Transport des Kraftstoffs bzw. des angereicherten Gemischs insbesondere durch ein gezielte Ladungsbewegung erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in und in der Umgebung der kleinen Kolbenmulde wandangelagerte Kraftstoff und die Gemischanreicherung in und in der Um­ gebung der Kolbenmulde durch eine Direkteinspritzung des Kraftstoffs erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in und in der Umgebung der kleinen Kolbenmulde angelagerte Kraftstoff und die Gemischanreicherung in und in der Umgebung der Kolbenmulde durch eine mindestens zweifache Direkteinspritzung des Kraftstoffs während eines Arbeitstaktes des Motors erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in und in der Umgebung der kleinen Kolbenmulde angelagerte Kraftstoff und die Gemischanreicherung in und in der Umge­ bung der Kolbenmulde durch eine Haupteinspritzung, die zumindest während des Ansaughubs des Kolbens gestartet wird, und durch die Einspritzung einer Kleinstmenge Kraftstoff während des Ver­ dichtungshubs erzeugt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in und in der Umgebung der kleinen Kolbenmulde angelagerte Kraftstoff und die Gemischanreicherung in und in der Umgebung der Kolbenmulde überwiegend durch die Einspritzung einer Kleinstmenge Kraft­ stoff während der Kompressionsphase erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in und in der Umgebung der kleinen Kolbenmulde angelagerte Kraftstoff und die Gemischanreicherung in und in der Umgebung der Kolbenmulde durch Einspritzung einer Kleinstmenge Kraftstoff im wesent­ lichen vor Einleitung der Zündung in einen Winkelbereich zwischen 80 und 40° vor dem oberen Totpunkt (OT) erzeugt werden.

8. Verfahren nach einem der Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der in und in der Umgebung der kleinen Kolbenmulde angelagerte Kraftstoff und die Gemischanreicherung in und in der Umgebung der Kolbenmulde überwiegend durch Einspritzung einer Kleinstmenge Kraft­ stoff erzeugt werden, die kleiner ist als 10% der insgesamt eingespritzten Kraftstoffmenge.

9. Zündvorrichtung zur Durchführung nach einem der Ansprüche nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmulde so bemessen ist, daß im wesentlichen nur die Funkenzündeinrichtung mit ausreichendem Spiel zu den Wänden und dem Boden der Kolbenmulde in diese hineinpaßt.

10 Zündvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmulde im wesent­ lichen eine zylindrische Form aufweist.

11. Zündvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmulde im wesentlichen zentral im Kolben angeordnet ist.

12. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kol­ benmulde im wesentlichen am oberen Rand eine allseitig geschlossene Form aufweist.

13. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kol­ benmulde am oberen Rand in Einspritzrichtung des Kraftstoffs eine Abschrägung aufweist.

14. Zündvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Funkenzündung eine Zündkerze mit mindestens einer Finger-Masseelektrode verwendet wird.

15. Zündvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Funkenzündung innerhalb der Kolbenmulde eine Zündkerze ohne Masseelektrode verwendet wird und die Masseelektrode durch einen im wesentlichen zylindrischen Stift gebildet wird, der im Boden der Kolbenmulde eingelassen ist.

16. Zündvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Funkenzündung eine im wesentlichen zylindrische Vorkammer-Funkenzündeinrichtung verwendet wird, die in die Kolbenmulde eintaucht.

17. Zündvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektroden im wesentlichen im Zentrum der Zündkammer achsparallel angeordnet sind.

18. Zündvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen zylin­ drische Vorkammer-Funkenzündeinrichtung als Wirbelkammer-Funkenzündeinrichtung ausgebildet ist.

19. Zündvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Stirnseite der Wirbelkammer eine Bohrung angeordnet ist, die das mit Kraftstoff angereicherte Gemisch aus der Kolbenmulde zentral in Form eines Strahls in Richtung auf die Zündelektroden lenkt.

20. Zündvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung eine Mehrfach-Mittel­ elektrode verwendet wird, die im wesentlichen radial zur Achse der Wirbelkammer Funken­ strecken zur im wesentlichen zylindrischen Innenwand der Wirbelkammer erzeugt.

21. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 17-20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ kammer mindestens einen tangetial in die Wirbelkammer einmündenden Überströmkanal enthält.

22. Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 17-21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbel­ kammer im vorderen Bereich auf der Außenseite parallel zu ihrer Hauptachse seitliche Nuten enthält, über die das mit Kraftstoff angereicherte Gemisch aus der Kolbenmulde vor mindestens eine der tangential in die Zündkammer einmündende Öffnungen geführt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 unter Einsatz der Zündvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß beim Eintauchen der Vorkammer in die Kolben­ mulde mit Kraftstoff angereichertes Gemisch aus der Kolbenmulde in die Vorkammer eintritt und dort zu einer Anreicherung des Gemischs führt, wobei das Gemisch nachfolgend durch Funkenzün­ dung gezündet wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Vorkammer Zündfackeln erzeugt werden, die sich im wesentlichen radial von der Achse in Richtung auf den Hauptbrennraum ausbreiten.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß beim Eintauchen der im wesentlichen zylindrischen Vorkammer-Funkenzündeinrichtung in die Kolbenmulde durch Bohrungen im Stirnbereich strahlförmig angereichertes Gemisch aus der Kolbenmulde in Richtung auf die Zündelektroden gelenkt wird.