DE19801245C2

DE19801245C2 - Arrangement for loading a combustion chamber via a multi-opening valve combination

Info

Publication number: DE19801245C2
Application number: DE19801245A
Authority: DE
Inventors: Peter Andresen; Gerd Gruenefeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-01-15
Filing date: 1998-01-15
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: DE19801245A1

Description

State of the art

Es ist bekannt, daß die Verbrennung in Motoren mit höheren Emissionen und größeren Wirkungsgradverlusten verbunden ist als in Gas- oder Ölheizungen. Daß erhebliches Potential für Kraftstoffersparnis vorhanden ist, sieht man schon an dem GDI Motor von Mitsubishi.It is known that the combustion in engines with higher Emissions and greater efficiency losses than in Gas or oil heaters. That considerable potential for You can already see fuel savings in the GDI engine from Mitsubishi.

In Gas- oder Ölheizungen wird eine effiziente Verbrennung mit wenig Schadstoffbildung oft durch gestufte Verbrennung erreicht, d. h. eine kleine, hochturbulente fette Flamme zündet eine magere, ebenfalls sehr turbulente Hauptflamme, in der der Hauptteil der chemischen Energie umgesetzt wird. Durch den sehr mageren Betrieb im Hauptteil der Flamme, der nur durch hohe Turbulenz möglich ist, wird thermisches NO stark reduziert und HC Reste effizient abgebaut. Auch der Ruß, der eventuell in dem kleinen fetten Bereich der Zündflamme entsteht, wird nachverbrannt. Die Energieausnutzung ist sehr hoch. Da Heizungsbrenner typisch bei nur einem Betriebpunkt mit einer stationären Strömungs- und Verbrennungssituation arbeiten, muß zur Optimierung "nur" eine besonders gute Anordnung für die Zufuhr von Kraftstoff und Luft gefunden werden.In gas or oil heating systems, efficient combustion with little Pollutant formation often achieved through staged combustion, d. H. a small, highly turbulent fat flame ignites a lean, also very turbulent main flame in which the main part of the chemical energy is implemented. Due to the very meager operation in the main part of the Flame that is only possible through high turbulence becomes thermal NO greatly reduced and HC residues efficiently broken down. Soot, which may arise in the small, fat area of the pilot light, is burned. The energy utilization is very high. There Heating burner typically with only one operating point with one steady flow and combustion situation must work Optimization "only" a particularly good arrangement for the supply of Fuel and air can be found.

Im Gegensatz zu Heizungsbrennern treten in Motoren unvermeidlich sehr unterschiedliche Strömungs- und Verbrennungsverhältnisse auf, da ein Motor bei einer Vielzahl verschiedener Betriebszustände (Kaltstart, Warmlauf, Teillast, Vollast) arbeiten muß. Die Änderung der Luft- und Kraftstoffzufuhr bei der Variation der Leistung, schlechte Kraftstoffverdampfung bei Kaltstart und Warmlauf, unterschiedliche Drücke im Brennraum oder die sich mit der Umdrehungszahl ändernde Geschwindigkeit des Kolbens sind nur einige Beispiele, die zu vielen verschiedenen Strömungs- und Verbrennungsverhältnissen führen. Die Verbrennung in Motoren ist durch diese Vielzahl verschiedener Strömungs- und Verbrennungsverhältnisse erheblich schwieriger zu optimieren als die "nur eine" Strömungs- und Verbrennungssituation im Heizungsbrenner. Durch die große Zahl verschiedenster Strömungs- und Verbrennungsverhältnisse kann ein Motor nicht für jeden Betriebspunkt einzeln optimiert werden. Motoren werden für gewisse Betriebszustände (für den Fahrzyklus wichtige) optimiert und arbeiten bei anderen Betriebszuständen unter nicht optimalen Bedingungen.In contrast to heating burners, inevitable occur in engines very different flow and combustion conditions, because an engine in a variety of different operating conditions (Cold start, warm-up, partial load, full load) must work. The change the air and fuel supply when varying the performance, poor Fuel evaporation during cold start and warm-up, different Pressures in the combustion chamber or that change with the number of revolutions Piston speed are just a few examples, too many different flow and combustion conditions. The Combustion in engines is different due to this multitude Flow and combustion conditions become much more difficult optimize as the "only" flow and combustion situation in the heating burner. Due to the large number of different currents and combustion conditions, an engine cannot be for everyone Operating point can be optimized individually. Motors are used for certain Operating conditions (important for the driving cycle) optimized and working in other operating conditions under suboptimal conditions.

Daher sind Maßnahmen, die für jeden einzelnen Betriebspunkt eine effiziente Steuerung der Verbrennung erlauben äußerst wünschenswert. So werden hier Maßnahmen für eine variablere Beladung des Brennraums vorgeschlagen, die in Verbindung mit variabler Turbulenzerzeugung z. B. starke Veränderungen der Brennfunktion bewirken und damit die Effizienz und Schadstoffbildung empfindlich beeinflussen.Therefore, measures are one for each individual operating point efficient combustion control allow extremely desirable. So here are measures for a more variable loading of the Combustion chamber proposed in conjunction with variable Turbulence generation e.g. B. strong changes in the burning function effect and thus the efficiency and pollutant formation sensitive influence.

Als Beispiel sei die bei einigen Betriebszuständen im Otto Motor (z. B. Kaltstart, Warmlauf, Teillast) auftretende "verschleppte Verbrennung" erwähnt, die oft auf mangelnde Turbulenz zum Zeitpunkt der Zündung zurückgeführt wird. Sie ist an den Druckkurven leicht zu erkennen. Eine sehr effiziente Maßnahme zur Bekämpfung dieser "verschleppten Verbrennung" ist die Erzeugung von vermehrter Turbulenz zum Zeitpunkt der Zündung, z. B. durch eine Einblasung von Luft in der späten Kompressionsphase. Es ist bekannt, daß damit die Brennfunktion, die Druckkurve, die Effizienz und auch die Schadstoffbildung stark beeinflußt werden.As an example, for some operating conditions in the Otto engine (e.g. Cold start, warm-up, partial load) "delayed combustion" mentioned, often due to lack of turbulence at the time of ignition is returned. It can be easily recognized by the pressure curves. A very efficient measure to combat this "delayed" Combustion "is the creation of increased turbulence for Time of ignition, e.g. B. by blowing air into the late compression phase. It is known that the Firing function, the pressure curve, the efficiency and also the Pollutant formation can be greatly influenced.

So führt die von Herrn Schwartz bereits 1929 durchgeführte "späte" Einblasung von Luft (d. h. während der Kompressionsphase und z. T. auch nach der Zündung) zu einer deutlichen Erhöhung der Brenngeschwindigkeit, zur Erhöhung der Effizienz und Reduktion der Schadstoffbildung. Eigene Arbeiten an einem ε = 6.5 Versuchsmotor (Grünefeld et al. "Direct Air Injektion for Substantial Improvement of SI Engine Cold Start Performance" SAE Paper 971069) und an einem Serienmotor (private Mitteilung M. Schütte) führten zu dem beeindruckenden Ergebnis, daß durch die Einblasung von Luft die HC- Emissionen beim Kaltsstart auf die Häfte reduziert werden können (im direkten Vergleich zum Serienmotor).For example, the "late" run by Mr. Schwartz in 1929 Air injection (i.e. during the compression phase and sometimes even after ignition) to a significant increase in Burning speed, to increase efficiency and reduce the Pollutant formation. Own work on a ε = 6.5 test engine (Grünefeld et al. "Direct Air Injection for Substantial Improvement of SI Engine Cold Start Performance "SAE Paper 971069) and on one Series engine (private communication M. Schütte) led to that impressive result that by blowing in air the HC Emissions at cold start can be reduced to half (in direct comparison to the series engine).

Die Erkenntnis, daß durch Turbulenz die Verbrennung positiv beeinflußt werden kann, ist sehr gut bekannt. Daher werden zur Erhöhung der Turbulenz verschiedene Maßnahmen getroffen und neue Maßnahmen vorgeschlagen.The realization that turbulence causes combustion to be positive can be influenced is very well known. Therefore Increasing turbulence, various measures taken and new ones Measures proposed.

Auch beim typischen 4-Zylinder Otto Saugrohrmotor wird versucht, hinreichend hohe Turbulenz zum Zeitpunkt der Zündung zu erzielen. Meist erfolgt aber die Zufuhr der Luft während des Einlaßtaktes über das Einlaßventil. Es wird auch hier (z. B. durch eine geschickte Gestaltung der Luftzufuhr über swirl- oder tumble- Strömungen im Brennraum) versucht, Turbulenz zum Zeitpunkt der Zündung zu erzielen. Allerdings ist die über das Einlaßventil erzeugte Turbulenz zum Zeitpunkt der Zündung meist weitgehend abgeklungen, da Turbulenz mit der Zeit zerfällt und zwischen Einlaßphase und Kompressionsphase erhebliche Zeit vergeht. Dieses gilt insbesondere bei kleinen Umdrehungszahlen. Nur bei hoher Umdrehungszahl sorgt die hohe Kolbengeschwindigkeit auch kurz vor der Zündung meist für hinreichend viel Turbulenz und bessere Verbrennung. Bei vielen anderen, sehr häufig auftretenden Betriebszuständen (wie z. B. Kaltstart, Warmlauf, Teillast) mit niedriger Umdrehungszahl, führt die durch den nur langsamen Kolben erzeugte schwache Turbulenz zu verschleppter Verbrennung. The typical 4-cylinder Otto intake manifold engine is also tried to achieve sufficiently high turbulence at the time of ignition. Most of the time, however, the air is supplied during the intake cycle the inlet valve. It is also sent here (e.g. by a clever Design of air supply via swirl or tumble flows in the Combustion chamber) tries to create turbulence at the time of ignition achieve. However, the turbulence generated through the intake valve is mostly died away at the time of ignition, because Turbulence decays over time and between the intake phase and Compression phase passes considerable time. This applies in particular at low revs. Ensures only at high revs the high piston speed, mostly for shortly before ignition sufficient turbulence and better combustion. With many other, very frequently occurring operating states (such as e.g. Cold start, warm-up, partial load) with a low number of revolutions, leads the weak turbulence generated by the slow piston delayed combustion.

Aus diesem Grunde werden häufig andere Verfahren zur Erzeugung von vermehrter Turbulenz vorgeschlagen und eingesetzt. Da Turbulenz mit der Zeit zerfällt, ist es offensichtlich von Vorteil, extra Turbulenz in der (späten) Kompressionsphase zu erzeugen. Ein Beispiel für die Erzeugung später Turbulenz sind die bekannten Quetschflächen zwischen Zylinderkopf und Kolben. Auch Stichkanäle zwischen Zylindern (französische Patente), Vorratsbehälter, in die z. B. während der Verbrennung Gase eingelassen und im Folgezyklus im Kompressionstakt zugegeben werden (Daimler), sind Beispiele für die Erzeugung später Turbulenz.For this reason, other methods of production are often used proposed and used by increased turbulence. Because turbulence decays over time, it is obviously beneficial to have extra turbulence in the (late) compression phase. An example of that Generating late turbulence is the well-known crushing area between cylinder head and piston. Even branch channels between Cylinders (French patents), storage containers in which z. B. during the combustion gases admitted and in the subsequent cycle in Compression stroke to be added (Daimler) are examples of that Generation of later turbulence.

Alle diese Verfahren erlauben aber - im Vergleich zu der großen Zahl auftretender verschiedener Strömungs- und Verbrennungsverhältnisse - eine Optimierung nur für wenige Betriebszustände. So ist z. B. bei kleinen Umdrehungszahlen die von Quetschflächen erzeugte Turbulenzintensität nicht ausreichend. Die erwähnten Stichkanäle oder Vorratsbehälter erlauben keine flexible Beladung des Brennraumes mit unterschiedlicher Ladungssschichtung und erzeugen auch keine definierte, in großen Grenzen variable, Turbulenzintensität. Es handelt sich meist um passive Komponenten, die keine aktive Variation von Beladung und Turbulenz erlauben. Eine hinreichend variable, vom Motormanagement steuerbare effiziente Anpassung an die vielen verschiedenen Betriebszustände des Motors ist damit also nicht zu erreichen.However, all of these methods allow - in comparison to the large number occurring different flow and combustion conditions - optimization only for a few operating conditions. So z. B. at small numbers of revolutions generated by squeeze surfaces Turbulence intensity is not sufficient. The branch channels mentioned or Storage containers do not allow flexible loading of the combustion chamber different charge stratification and also generate none defined, variable within large limits, turbulence intensity. It deals are mostly passive components that do not have an active variation of Allow loading and turbulence. A sufficiently variable, from Engine management controllable efficient adaptation to the many Different operating states of the engine are not closed to reach.

Ein anderes wohl bekanntes Problem der motorischen Verbrennung ist, daß die Verbrennung (insbesondere homogener) magerer Gemische im Otto Motor schwierig ist. Auch hier ist bekannt, daß dieses auf mangelnde Turbulenz zum Zeitpunkt der Zündung zurückzuführen ist. Während z. B. in gestuften Heizungsbrennern die magere Verbrennung hoch effizient und sehr schadstoffarm ist, nimmt beim Motor (bei zunehmend magerer Stöchiometrie) die Schadstoffbildung durch zunehmend unvollständige Verbrennung ab einer bestimmten, motorabhängigen Stöchiometrien wieder zu. Die saubere und effiziente Verbrennung magerer Gemische ist also in Motoren wesentlich schwieriger als z. B. in kommerziellen Heizungsbrennern. Sie äußert sich in erhöhten Emissionen und verschlechtertem Wirkungsgrad der primären Verbrennung. Typischerweise ist die Schadstoffbildung um fast eine Größenordnung größer als in einem Heizungsbrenner.Another well-known problem with engine combustion is that the combustion (especially homogeneous) of lean mixtures in Otto engine is difficult. Again, it is known that this is on lack of turbulence at the time of ignition. During e.g. B. in staged heating burners the lean combustion is highly efficient and very low in pollutants increasingly lean stoichiometry) due to pollutant formation increasingly incomplete combustion from a certain, engine-dependent stoichiometries. The clean and efficient Combustion of lean mixtures is essential in engines more difficult than e.g. B. in commercial heating burners. She expresses result in increased emissions and deteriorated efficiency of the primary combustion. The pollutant formation is typically around almost an order of magnitude larger than in a heating burner.

Der Vergleich mit dem Heizungsbrenner zeigt, daß für bestimmte Strömungs- und Verbrennungsverhältnisse eine saubere und effiziente Verbrennung möglich ist. Daher sollte eine ähnlich effiziente und saubere Verbrennung im Motor möglich sein, wenn es gelingt, durch eine gute Ladungsschichtung und hohe Turbulenz eine gestufte Verbrennung für jeden Betriebszustand zu erreichen.The comparison with the heating burner shows that for certain Flow and combustion conditions a clean and efficient Combustion is possible. Therefore, a similarly efficient and clean combustion in the engine may be possible if it succeeds through good charge stratification and high turbulence a tiered To achieve combustion for every operating condition.

Aus diesem Grunde werden Schichtladungskonzepte mit einem kleineren, fetteren und damit leicht entzündlichen Teil der Ladung bei der Verbrennung magerer Gemische verfolgt. Ein Beispiel ist die in der letzten Zeit viel diskutierte Direkteinspritzung von Benzin in Otto Motoren (GDI), bei der flüssiger Kraftstoff auch relativ spät (direkt) in den Brennraum gespritzt wird. Das große Problem bei der Realisierung von Schichtladungskonzepten ist, daß die Strömungsverhältnisse so ausgelegt werden müssen, daß für alle Betriebzustände (!) der fettere leicht entzündliche Teil der Ladung zum Zeitpunkt der Zündung an der Zündkerze sein muß.For this reason, stratified charge concepts with a smaller, fatter and therefore easily flammable part of the cargo the combustion of lean mixtures. An example is that in the There has been a lot of discussion recently about direct injection of petrol in Otto Engines (GDI) where liquid fuel is also relatively late (directly) in the combustion chamber is injected. The big problem with the implementation of stratified charge concepts is that the flow conditions so must be interpreted that for all operating conditions (!) the fatter highly flammable part of the charge at the time of ignition at the Spark plug must be.

Diese gezielte Zufuhr des fetten Teils der Ladung zur Zündkerze durch strömungstechnische Maßnahmen ist, in Anbetracht der Vielzahl verschiedener Strömungs- und Verbrennungsverhältnisse bei den vielen verschiedenen Betriebszuständen, äußerst schwierig. Trotzdem beweist der GDI Motor von Mitsubishi, der seit kurzer Zeit auf dem europäischen Markt ist, daß dieses möglich ist. This targeted supply of the rich part of the charge to the spark plug fluidic measures is, considering the multitude different flow and combustion conditions in the many different operating conditions, extremely difficult. Still proves the Mitsubishi GDI engine, which has recently been on the European market is that this is possible.

Voraussetzung einer effizienten und schadstoffarmen Verbrennung auch magerer Gemische im Brennraum ist also sowohl eine Ladungsschichtung mit dem fetteren Teil der Ladung an der Zündkerze zum Zeitpunkt der Zündung (für alle Betriebszustände!) als auch eine hinreichend hohe Turbulenz. Die Erreichung dieses Zieles durch eine Hochdruckgemischeinblasung ist der Gegenstand dieser Erfindung.A prerequisite for efficient and low-pollution combustion Lean mixtures in the combustion chamber are therefore both Charge stratification with the richer part of the charge on the spark plug at the time of ignition (for all operating states!) as well as one sufficiently high turbulence. The achievement of this goal by a High pressure mixture injection is the subject of this invention.

Mit der gegenwärtigen Erfindung, einer direkten Hochdruckgemischeinblasung, soll zum einen elektronisch über gekoppelte, schnelle Ventile flexible Beladung des Brennraums mit Luft und verschiedenen Kraftstoff-Luft-Gemischen, eine in weiten Grenzen variable Ladungsschichtung entstehen. Zum anderen soll durch die Hochdruckgemischeinblasung das simultan auftretende Problem der oft mangelnde Turbulenz zum Zeitpunkt der Zündung durch eine elektronisch gesteuerte späte Einblasung von Luft (oder eventuell auch Kraftstoff Luft Gemisch) gelöst werden. Eine der gewünschten Ladungschichtungen soll so sein, daß in dem Großteil der (mageren) Ladung zum Zeitpunkt der Zündung ein kleinerer, fetterer Bereich eingebettet ist. Eine andere gewünschte Ladungsschichtung soll so sein, daß zusätzlich die magere Ladung zu den Brennraumwänden hin von Luft umschlossen ist, um Wärmeverluste zur Wand zu minimieren.With the current invention, a direct one High-pressure mixture injection, on the one hand electronically coupled, fast valves flexible loading of the combustion chamber with Air and various fuel-air mixtures, one in wide Limits of variable charge stratification arise. On the other hand the simultaneous occurrence due to the high-pressure mixture injection Problem of often lack of turbulence at the time of ignition through an electronically controlled late injection of air (or possibly also fuel-air mixture). One of the Desired charge stratification should be such that in the majority of the (Lean) charge a smaller, fatter at the time of ignition Area is embedded. Another desired charge stratification should be such that in addition to the lean charge Combustion chamber walls are surrounded by air to prevent heat loss to minimize to the wall.

Beide Maßnahmen (Erzeugung einer steuerbaren Schichtladung und steuerbarer Turbulenz) zusammen bewirken, daß die Verbrennung effizienter und schadstoffärmer abläuft. Damit ergibt sich eine erhebliche Ähnlichkeit zu der oben beschriebenen, gestuften Verbrennung in Heizungsbrennern. Zusätzlich ergibt die sehr große Flexibilität bei der Beladung des Brennraumes (s. u.) sehr effiziente Maßnahmen zur Steuerung der Verbrennung für eine Vielzahl verschiedener Betriebszustände. Die große Flexibilität ergibt sich daraus, daß wahlweise Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemische unterschiedlicher Stöchiometrie mehrfach in einem Motorzyklus, im zeitlichen Nacheinander, in den Brennraum eingeblasen werden.Both measures (generation of a controllable stratified charge and controllable turbulence) together cause combustion runs more efficiently and with fewer pollutants. This results in a significant similarity to the tiered one described above Combustion in heating burners. In addition, the results are very large Flexibility in loading the combustion chamber (see below) very efficient Measures to control combustion for a variety different operating states. The great flexibility arises from the fact that either air or fuel-air mixtures different stoichiometry several times in one motor cycle, in consecutive times, are blown into the combustion chamber.

Im Gegensatz zum GDI Konzept sollen mit der HDGE Gase (Luft und verschiedene Kraftstoff Luft Gemische) direkt in den Brennraum eingeblasen werden (statt Flüssigkeiten einzuspritzen). Im Gegensatz zu den flüssigen Tröpfchen der GDI erzeugen die hier verwendeten Gase erheblich mehr Turbulenz. Daher sind Gase zur effizienten Steuerung der Brennfunktion wesentlich besser geeignet. Die luftgeführte Direkteinspritzung erzeugt, ähnlich wie die HDGE, durch die Luft Turbulenz und scheint damit eine gewisse Ähnlichkeit mit der hier vorgeschlagenen Hochdruckgemischeinblasung zu haben. Sie ist aber immer mit einer Kraftstoffeinspritzung verbunden und zielt damit "nur" auf eine gute Gemischaufbereitung ab. Eine effizient steuerbare Beeinflussung der Brennfunktion ist durch die luftgeführte Direkteinspritzung weder geplant noch möglich.In contrast to the GDI concept, with the HDGE gases (air and various fuel-air mixtures) directly into the combustion chamber be blown in (instead of injecting liquids). In contrast to the liquid droplets of the GDI generate the ones used here Gases significantly more turbulence. Therefore gases are efficient Control of the burning function is much more suitable. The air-guided direct injection generates, similar to the HDGE the air turbulence and seems to be somewhat similar to that to have proposed high-pressure mixture injection here. she is but always associated with a fuel injection and aims with it "only" on a good mixture preparation. An efficiently controllable Influencing the burning function is through the air-guided Direct injection is neither planned nor possible.

Realization of high pressure mixture injection

Ein Beispiel für die Hochdruckgemischeinblasung ist in Abb. 1 dargestellt. Sie besteht hier aus zwei verschiedenen schnellen Ventilen und einer Hochdruck Luftversorgung. Das Ventil (V1) ist direkt mit dem Brennraum verbunden und schließt auf der Innenseite ohne Nischen ab. Auf der dem Brennraum abgewandten Seite des Ventils V1 befindet sich ein "Vormischbereich", (VM) der über die Hochdruck Luftversorgung mit Luft bei hohem Druck versorgt wird. Der Druck muß so hoch sein, daß auch in der späteren Kompressionsphase noch Gas eingeblasen werden kann. In den Vormischbereich wird über ein weiteres Ventil (V2) flüssiger Kraftstoff zugeführt. Beide Ventile sollen so schnell sein, daß sie sich innerhalb eines Motor-Zyklus (zumindest für die nicht zu hohen Umdrehungszahlen bei Kaltstart, Warmlauf und Teillast) mehrfach öffnen können. Beide Ventile werden vom Motor-Management in Abhängigkeit vom Betriebszustand elektronisch gesteuert werden.An example of high-pressure mixture injection is shown in Fig. 1. It consists of two different fast valves and a high pressure air supply. The valve (V1) is connected directly to the combustion chamber and closes on the inside without niches. On the side of the valve V1 facing away from the combustion chamber there is a "premixing area" (VM) which is supplied with air at high pressure via the high-pressure air supply. The pressure must be so high that gas can still be blown in during the later compression phase. Liquid fuel is fed into the premixing area via a further valve (V2). Both valves should be so fast that they can open several times within one engine cycle (at least for the not too high revolutions during cold start, warm-up and partial load). Both valves will be electronically controlled by the engine management depending on the operating state.

Die HDGE muß vom Motor Management gesteuert werden, um die Verbrennung an die verschiedenen Betriebszustände anzupassen. Dieses gilt sowohl für die Beladung des Brennraumes mit einer Schichtladung als auch für die Steuerung der Brennfunktion über Turbulenz.The HDGE must be controlled by the motor management in order to Adapt combustion to the different operating conditions. This applies both to loading the combustion chamber with a Stratified charge as well as for the control of the burning function Turbulence.

Mit dieser Anordnung (der HDGE) können dem Brennraum in einem Motor-Zyklus mehrfach Luft oder verschiedene Kraftstoft/Luft- Gemische bei hohem Druck zugeführt werden. Sie soll verwendet werden, um die Ladung zum Zeitpunkt der Zündung so zu gestalten, daß ein kleiner fetterer, hochturbulenter Zündbereich entsteht, der den größeren mageren Teil der Ladung sauber und effizient abbrennt. Dieses entspricht dem Prinzip des oben beschriebenen typischen Heizungsbrenners. Neben der so erzielten Ladungsschichtung soll aber auch die Turbulenz zum Zeitpunkt der Zündung aktiv beeinflußt werden. Dazu wird dem Brennraum über das Ventil V1 in bestimmten Kurbelwinkelintervallen (insbesondere in der Kompressionsphase) Luft (oder auch ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt. Dieses ist gerade bei den Betriebszuständen Kaltstart, Warmlauf und Teillast, wo eine erhöhte Turbulenz wichtig ist, von großer Bedeutung.With this arrangement (the HDGE) the combustion chamber in one Motor cycle multiple air or different fuels / air Mixtures are fed at high pressure. It is said to be used to shape the charge at the time of ignition so that a small fatter, highly turbulent ignition area is created that the larger lean part of the load burns cleanly and efficiently. This corresponds to the principle of the typical described above Heating burner. In addition to the charge stratification achieved in this way, however turbulence at the time of ignition is also actively influenced become. For this purpose the combustion chamber is determined via valve V1 Crank angle intervals (especially in the compression phase) air (or also a fuel-air mixture. This is straight in the operating conditions cold start, warm-up and partial load, where one increased turbulence is important, of great importance.

Die Zufuhr von Gas (d. h. Luft oder Gemisch) direkt in den Brennraum ist wesentlich für die Steuerung der Brennfunktion, da durch die Einblasung von Gasen wesentlich mehr Turbulenz erzeugt wird als z. B. durch die Einspritzung von flüssigen Tröpfchen beim GDI.The supply of gas (i.e. air or mixture) directly into the combustion chamber is essential for the control of the burning function, because by the Blowing of gases creates much more turbulence than z. B. through the injection of liquid droplets at the GDI.

Control of the valves in the HDGE

Die Ventile werden elektronisch vom Motormanagement gesteuert. The valves are controlled electronically by the engine management.

Air supply through the HDGE

Bei der Zufuhr von Luft zum Brennraum öffnet nur das Ventil V1 in einem einstellbaren Kurbelwinkelbereich, d. h. vom Motormanagement gesteuert für eine einstellbare Dauer. Ventil 2 bleibt geschlossen.When air is supplied to the combustion chamber, only valve V1 opens in an adjustable crank angle range, ie controlled by the engine management for an adjustable period. Valve 2 remains closed.

Supply of a mixture of fuel and air via the HDGE

Soll dem Brennraum ein Gemisch aus Kraftstoffund Luft zugeführt werden, so öffnet sowohl Ventil V1 als auch Ventil V2. V1 wird, vom Motormanagement gesteuert, für einen gewünschten KW-Bereich geöffnet, so daß in dieser Zeit Luft aus dem Vormischbereich in den Brennraum strömt. Es wird zunächst nur eine Öffnung von V1 betrachtet. Innerhalb dieses KW-Bereiches öffnet V2 einmal oder mehrfach für einstellbare Zeitintervalle und spritzt flüssigen Kraftstoff in die im Vormischbereich strömende Luft. Über die Zahl und Dauer der Öffnungsintervalle von V2 wird die bei der Öffnung von V1 dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge gesteuert. Auf diese Weise entstehen (in dem in den Brennraum einströmendem Gas) Kraftstoff- Luft-Gemische mit unterschiedlicher Stöchiometrie. Durch die Variation der Länge und Lage der Öffnungsintervalle von V2 können dem Brennraum, bei einer Öffnung von V1, fettere und magere Gemische mit verschiedener Schichtung zugeführt werden. Die Kopplung der Ventile V1 und V2 kann auch mechanisch erfolgen.A mixture of fuel and air is to be fed into the combustion chamber both valve V1 and valve V2 open. V1 will, from Motor management controlled, for a desired KW area opened, so that air from the premixing area into the Combustion chamber flows. At first there will only be an opening of V1 considered. V2 opens once or within this KW range multiple times for adjustable time intervals and splashes liquid fuel into the air flowing in the premix area. About the number and duration the opening intervals of V2 will be the same as when V1 opens Controlled amount of fuel supplied to the combustion chamber. In this way arise (in the gas flowing into the combustion chamber) Air mixtures with different stoichiometry. Through the Varying the length and location of the opening intervals from V2 can the combustion chamber, with an opening of V1, fatter and lean Mixtures with different stratification can be fed. Valves V1 and V2 can also be coupled mechanically.

Die Zufuhr von Luft erfolgt vorzugsweise 1. in der Einlaßphase bei kleinen KW zur Vermeidung von Drosselverlusten, zur Luftummantelung des mageren Bereiches oder auch zur Aufladung, 2. in der späten Kompressionsphase zur Steuerung der Brennfunktion oder auch zur Aufladung und 3. während der Verbrennungsphase zur Förderung der Nachverbrennung.Air is preferably fed in during the intake phase small KW to avoid throttle losses, for Air jacket of the lean area or also for charging, 2. in the late compression phase to control the burning function or also for charging and 3. during the combustion phase Promotion of afterburning.

Die Zufuhr von Gemisch erfolgt vorzugsweise 1. in der Einlaß- und frühen Kompressionsphase bei kleinen KW zur (auch feiner geschichteten) Einbringung mageren Gemisches 2. in der späten Kompressionsphase zur Zufuhr des kleineren fetteren Teils der Ladung.The mixture is preferably fed 1. in the inlet and early compression phase with small KW to (also finer layered) introducing lean mixture 2. in the late Compression phase to supply the smaller, fatter part of the Charge.

Durch die vom Motor-Management gesteuerte, u. U. mehrfache Öffnung von V2 kann dem über V1 in den Brennraum fließenden Luftstrom mehr oder weniger Kraftstoff zugegeben werden und damit die Gaszusammensetzung bei einer Öffnung von V1 modulieren (Feinmodulation). Eine grobe Modulation der Gaszusammensetzung kann natürlich auch über mehrfache Öffnungen von V1 erfolgen.Through the controlled by the engine management, u. U. multiple Opening of V2 can flow into the combustion chamber via V1 Airflow more or less fuel are added and thus modulate the gas composition at an opening of V1 (Fine modulation). A rough modulation of the gas composition can of course also be done via multiple openings of V1.

Da sowohl durch die Länge als auch die Lage der Öffnungsintervalle von V2 (während einer Öffnung von V1) dem Brennraum abwechselnd Bereiche mit unterschiedlichen Stöchiometrien zugeführt werden, entstehen im Brennraum, je nach Strömungsverhältnissen, Bereiche mit unterschiedlicher Stöchiometrie zum Zeitpunkt der Zündung. Diese feinere Ladungsschichtung kann von Vorteil sein.Because of both the length and the location of the opening intervals alternating from V2 (during an opening of V1) the combustion chamber Areas with different stoichiometries are fed, areas arise in the combustion chamber, depending on the flow conditions different stoichiometry at the time of ignition. This finer charge stratification can be an advantage.

Variation of the turbulence due to the length and position of the injection interval

In einem Kurbelwinkelintervall [KW1, KW2] wird über das Ventil V1 für eine bestimmte Dauer Luft (oder auch ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft) in den Brennraum eingeblasen. Durch die Länge und die Lage des Intervalls relativ zum Zündzeitpunkt (um 360 KW) werden zum Zeitpunkt der Zündung Zustände mit verschiedener Turbulenz erzeugt. Dabei spielt sowohl die Länge als auch die zeitliche Lage des Intervalls relativ zur Zündung eine wesentliche Rolle. Durch die Länge des Intervalls wird die zugeführte Gasmenge variiert, so daß, je nach Gasmenge, mehr oder weniger kinetische Energie auf das im Brennraum vorhandene Gas übertragen wird. Die Lage des Intervalles kann eine kurze oder lange Zeit vor dem Zündzeitpunkt liegen. Erfolgt das Einblasen des Gases kurz vor der Zündung, so hat man große Wirbel mit viel kinetischer Energie zum Zeitpunkt der Zündung (hohe Turbulenzintensität). Erfolgt das Einblasen des Gases lange vor der Zündung, so sind die Wirbel kleiner geworden und haben ihre kinetische Energie weitgehend verloren. Die Turbulenzintensität ist zum Zeitpunkt der Zündung weitgehend abgeklungen. Die zugegebene Gasmenge kann auch durch den Hinterdruck variiert werden.In a crank angle interval [KW1, KW2], valve V1 air (or a mixture of fuel and air) are blown into the combustion chamber. By the length and the Position of the interval relative to the ignition point (around 360 KW) conditions with different turbulence at the time of ignition generated. Both the length and the temporal position of the Intervals relative to the ignition play an important role. By length of the interval, the amount of gas supplied is varied so that, depending on Amount of gas, more or less kinetic energy on the im Combustion chamber existing gas is transferred. The location of the interval can be a short or long time before the ignition point. He follows blowing in the gas just before the ignition gives you big Vortex with a lot of kinetic energy at the time of ignition (high Turbulence intensity). If the gas is injected long before Ignition, the vertebrae have become smaller and have theirs kinetic energy largely lost. The turbulence intensity is largely subsided at the time of ignition. The admitted The amount of gas can also be varied by the back pressure.

Über die so steuerbare Turbulenzintensität wird die Brennfunktion zu einer steuerbaren Größe.The burning function is controlled via the turbulence intensity that can be controlled in this way a controllable size.

An example of loading the combustion chamber using the HDGE

Die Beladung des Brennraums kann erheblich anders beim Saugrohrmotor erfolgen. So kann die Beladung z. B. ausschließlich über die HDGEV erfolgen und der Brennraum kann aufgeladen werden. Es kann aber auch ein Teil der Beladung über das Einlaßventil eines normalen Saugrohrmotors erfolgen.The loading of the combustion chamber can be significantly different Intake manifold engine. So the loading z. B. exclusively done via the HDGEV and the combustion chamber can be charged become. However, part of the load can also be taken through the inlet valve a normal intake manifold engine.

Die Beladung des Brennraumes über die HDGE in verschiedenen Kurbelwinkelintervallen während eines Motorzyklus von 0-720 KW ist in Abb. 2 gezeigt. Dabei wird zunächst Luft, dann eine größere Menge mageren Gemisches und dann eine kleine Menge fetteren Gemisches zugeführt. (Mit "fetterem Gemisch" ist hier nicht gemeint, daß eine Stöchiometrie kleiner als 1 vorliegt; es reicht auch ein stöchiometrisches Gemisch für eine sichere Zündung).The loading of the combustion chamber via the HDGE at various crank angle intervals during an engine cycle of 0-720 KW is shown in Fig. 2. Air is added first, then a large amount of lean mixture and then a small amount of richer mixture. ("Fatter mixture" here does not mean that the stoichiometry is less than 1; a stoichiometric mixture is also sufficient for reliable ignition).

In diesem Beispiel öffnet das Ventil V1 während der Einlaßphase zunächst einmal, um Luft in den Brennraum zu blasen. Dabei soll über das Ventil die Beladung so gesteuert werden, daß während der Abwärtsbewegung des Kolbens mindestens 1 bar Druck im Brennraum herrscht und damit die im Ottomotor während der Einlaßphase üblichen Drosselverluste vermieden werden. In this example, valve V1 opens during the intake phase first of all to blow air into the combustion chamber. It is said about the valve control the load so that during the Downward movement of the piston at least 1 bar pressure in the combustion chamber prevails and thus in the gasoline engine during the intake phase usual throttle losses can be avoided.

Dann öffnet das Ventil V1 in der Einlaß- und Kompressionsphase, um dem Brennraum in einem oder mehreren KW-Intervallen ein mageres Gemisch aus Kraftstoffund Luft zugeben. Dabei kann das Ventil V2 während eines Öffnungsintervalles von V1 einmal oder mehrfach flüssigen Kraftstoff für einstellbare Zeiten der im Vormischbereich vorliegenden Strömung zugegeben.The valve V1 then opens in the intake and compression phases the combustion chamber is lean in one or more KW intervals Add mixture of fuel and air. The valve V2 once or several times during an opening interval of V1 liquid fuel for adjustable times in the premix area present flow added.

In der Kompressionsphase öffnet V1, ohne daß V2 öffnet und bläst eine bestimmte Menge Luft in den Brennraum, um Turbulenz zu erzeugen. Dieses erfolgt nur dann, wenn für den Betriebszustand erhöhte Turbulenz von Vorteil ist, d. h. typisch bei Kaltstart, Warmlauf und Teillast.In the compression phase, V1 opens without V2 opening and blowing a certain amount of air into the combustion chamber to create turbulence produce. This only takes place if for the operating state increased turbulence is beneficial, i. H. typical for cold start, warm-up and part load.

Das Ergebnis dieser Art der Beladung des Brennraumes ist in Abb. 3 gezeigt. Die in der frühen Phase eingelassene Luft wird sich, wegen der nachfolgenden Beladung mit magerem KL-Gemisch, im Wesentlichen an den Wänden befinden. Der anschließend zugeführte kleinere fettere Bereich wird eingelagert in den mageren Bereich. In dieser Ladungsschichtung wird durch eine späte Lufteinblasung u. U. vermehrte Turbulenz erzeugt.The result of this type of loading of the combustion chamber is shown in Fig. 3. The air admitted in the early phase will be mainly on the walls due to the subsequent loading with a lean KL mixture. The smaller, richer area that is subsequently fed in is stored in the lean area. In this charge stratification is caused by a late air injection u. U. increased turbulence generated.

Der kleinere fettere Bereich wird entweder durch eine Fremdzündung (z. B. Zündkerze) oder durch Selbstzündung entflammt. Die z. B. in der Kompressionsphase zugeführte Luft erhöht die Turbulenz, so daß der Flammenkern sich schneller ausbreiten kann.The smaller richer area is either spark-ignited (e.g. spark plug) or ignited by self-ignition. The z. B. in the Compression phase supplied air increases the turbulence, so that the Flame core can spread faster.

Es ist klar, daß auf diese Weise viele verschiedene Strömungs- und Verbrennungsverhältnisse realisiert werden können, so daß die nachfolgende Verbrennung effizient beeinflußt wird. It is clear that many different flow and Combustion ratios can be realized so that the subsequent combustion is influenced efficiently.

Special aspects Speed of the valve

Da die Probleme, die zur ineffizienten Verbrennung führen, hauptsächlich bei Kaltstart, Warmlauf und Teillast bei mittleren Umdrehungszahlen auftreten, müssen beide Ventile schneller als 10 msec öffnen, um zumindest Mehrfachöffnungen des Ventils bei diesen mittleren Umdrehungszahlen zu ermöglichen. Die piezoelektrisch betriebenen Ventile, die heute für die Druckverlaufsformung bei der Dieseleinspritzung entwickelt werden, erfüllen potentiell alle motorischen Anforderungen an das Ventil (Dichtigkeit, Hochdruckfestigkeit, Temperaturbelastbarkeit, . . .), sind schnell genug und lassen sich auch einfach steuern. Da der Hub dieser Ventile für die Einblasung von größeren Gemischmengen vermutlich größer sein muß als für die Einspritzung von Flüssigkeiten, muß eine Übersetzung für einen größeren Hub erfolgen.Because the problems that lead to inefficient combustion mainly with cold start, warm-up and part load with medium RPM occur, both valves must be faster than Open 10 msec to close at least multiple openings of the valve to enable these average revolutions. The piezoelectrically operated valves that are used today for the Pressure curve formation in diesel injection are developed, potentially meet all engine requirements for the valve (Tightness, high pressure resistance, temperature resistance,...), Are fast enough and easy to control. Because the hub of this Valves for the injection of larger quantities of mixture presumably must be larger than for the injection of liquids Translation for a larger hub.

Ignition of the charge in the combustion chamber

Das fettere Gemisch wird dem Brennraum zugeführt um eine sichere Zündung zu erreichen (Ladungsschichtung). Die Zündung kann entweder durch Fremdzündung (z. B. Zündkerze) oder durch Selbstzündung erfolgen.The richer mixture is fed to the combustion chamber for a safe To achieve ignition (charge stratification). The ignition can either by spark ignition (e.g. spark plug) or by Ignition occurs.

Hier wird nur die Selbstzündung diskutiert.Only auto-ignition is discussed here.

In der späten Kompressionsphase wird ein kleinerer fetterer Bereich in der Schichtladung erzeugt. Dieses geschieht dadurch, daß im Vormischbereich der strömenden Luft flüssiger Kraftstoff eingespritzt wird. Der Kraftstoff verdampft und vermischt sich mit der heißen Luft so daß ein fetteres gut brennbares Gemisch entsteht. Die Dauer dieses Vorganges hängt sowohl von der Tröpfchengröße und der Temperatur der Luft im Vormischbereich ab. Liegt die Temperatur im Vormischbereich unterhalb der Selbstzündungstemperatur kann im Vormischbereich keine Selbstzündung auftreten. Durch die Temperierung der Luft sowie durch die hinreichende Tröpfchengröße wird sichergestellt, daß Selbstzündung im Vormischbereich vermieden wird. Dazu wird die Temperatur der vom Kompressor zugeführten Luft hinreichend niedrig gehalten.In the late compression phase, a smaller fatter area becomes in the stratified charge generated. This happens because in Premixed area of flowing air is injected with liquid fuel becomes. The fuel evaporates and mixes with the hot air so that a fatter, highly flammable mixture is formed. The duration of this The process depends on both the droplet size and the temperature the air in the premix area. Is the temperature in the Premixing range below the auto-ignition temperature can be in the No self-ignition occurs in the premix area. Through the Temperature control of the air and due to the sufficient droplet size ensures that auto-ignition in the premix area is avoided becomes. For this, the temperature of the compressor supplied Air kept low enough.

Um eine Selbstzündung im Brennraum zu erreichen, wird das fettere Gemisch bei Kurbelwinkelintervallen in der nicht zu späten Kompressionsphase eingeblasen. Die Temperatur im Brennraum liegt dann noch unter der maximalen Temperatur, die im oberen Totpunkt durch adiabatische Kompression erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt soll die Temperatur noch unterhalb der Temperatur für Selbstzündung liegen. Die Temperatur im Brennraum steigt gegen Ende der Kompression stark an. Durch diese verbleibende Kompression steigt die Temperatur im Brennraum über die Selbstzündungstemperatur an. Das Gemisch wird, wie im Dieselmotor, durch die Kompression entzündet.In order to achieve self-ignition in the combustion chamber, it gets richer Mixture at crank angle intervals in the not too late Blown in compression phase. The temperature in the combustion chamber is then still below the maximum temperature at top dead center is achieved by adiabatic compression. At this time the temperature should still be below the temperature for auto ignition lie. The temperature in the combustion chamber increases towards the end of the Compression on. This remaining compression increases the temperature in the combustion chamber above the auto-ignition temperature. The mixture, like in a diesel engine, is compressed ignited.

Der Vorteil der Selbstzündung ist, daß der fette Zündbereich der Schichtladung nicht durch eine gezielte Auslegung der Strömung (für alle Betriebszustände!) an die Zündkerze gebracht werden muß. Er kann irgendwo im Brennraum liegen und von dort aus die Verbrennung starten. Vorzugsweise sollte der fettere Bereich vielleicht in der Mitte des Brennraumes liegen.The advantage of auto-ignition is that the rich ignition range of the Stratified charge not through a targeted design of the flow (for all operating states!) must be brought to the spark plug. He can be anywhere in the combustion chamber and from there the combustion start. Preferably, the richer area should perhaps be in the middle of the combustion chamber.

Die Hochdruck Luftversorgung erfolgt vorzugsweise durch Kompression von Luft durch den zu steuernden Motor (z. B. ein extra Kolben oder indirekt über Kompression durch vorhandene Kolben). Daher kann die Luft im Vormischbereich eine erhöhte Temperatur haben. Dieses ist ein Vorteil, da die Kraftstoffverdampfung bei erhöhten Temperaturen schneller erfolgt und die Vermischung in kurzen Zeiten erfolgt.The high pressure air supply is preferably carried out by Compression of air by the engine to be controlled (e.g. an extra Pistons or indirectly via compression by existing pistons). Therefore, the air in the premix area can have an elevated temperature to have. This is an advantage because the fuel evaporation elevated temperatures occurs faster and mixing in short times.

Alternativ kann auch die Zündverzugszeit, die durch die Verdampfung des Kraftstoffes und die anschließende Vermischung des gasförmigen Kraftstoffes mit Luft entsteht, zur Vermeidung der Selbstzündung im Vormischbereich eingesetzt werden, um den Zündzeitpunkt im Brennraum zu beeinflussen.Alternatively, the ignition delay caused by the evaporation of the fuel and the subsequent mixing of the gaseous Fuel with air is created to avoid auto-ignition in the Premixing range can be used at the ignition point in the To influence the combustion chamber.

Air jacket

Die Einblasung von Luft zu Beginn der Einlaßphase dient nicht nur zur Vermeidung von Drosselverlusten. Durch die spätere Beladung mit Gemisch ist das Gemisch in der Ladung, bei nicht zu starker Verwaschung der Ladung, von Luft ummantelt. Der Ladungsbereich nahe an der Wand ist also nicht brennbar. Daher werden Wärmeverluste durch eine hohe, wandnahe Verbrennungstemperatur vermieden.The blowing in of air at the beginning of the intake phase is not only used for Avoidance of throttle losses. Due to the later loading with Mixture is the mixture in the load, if not too strong Washing of the cargo, encased in air. The cargo area So close to the wall is not flammable. Therefore Heat loss due to a high combustion temperature close to the wall avoided.

Wash the load

Eine ideale Ladungsschichtung wäre durch einen äußeren Luftmantel, einen großen Bereich mageren Gemisches und einen kleinen, in den mageren Teil der Ladung eingelagerten fetteren Bereich gegeben. Durch die Strömungsverhältnisse werden sich diese verschiedenen Bereiche der Ladung, zumindest an ihren Rändern, miteinander vermischen.An ideal charge stratification would be through an outer air jacket, a large area of lean mixture and a small area in which given leaner part of the cargo to the richer area. Due to the flow conditions, these are different Areas of the cargo, at least at their edges, with each other mix.

Performance variation

Der Motor soll ohne gedrosselte Luftzufuhr arbeiten, so daß Drosselverluste entfallen. Die Leistungsvariation soll über die Menge des dem Brennraum über die HDGE zugeführten mageren Gemisches erfolgen. Es handelt sich um eine Quantitätsregelung wie beim Dieselmotor. Die zugeführte Kraftstoffmenge wird über V2 vom Motormanagement je nach Betriebszustand gesteuert. The engine should work without throttled air supply, so that Throttle losses are eliminated. The performance variation is supposed to be about the quantity of the lean mixture supplied to the combustion chamber via the HDGE respectively. It is a quantity regulation as with Diesel engine. The amount of fuel supplied is via V2 from Engine management controlled depending on the operating state.

Charging the combustion chamber

Da für die späte Einblasung von Gasen ohnehin Luft bei hohen Drucken erforderlich ist, kann bei einer Öffnung des Ventils der Brennraum mit mehr als 1 bar beladen werden. Die Vorteile der Aufladung für die Steigerung der Leistung pro Volumen sind bekannt. Bei hohem und bei tiefem Druck ist die Stärke des Luftstromes durch die Schallgeschwindigkeit begrenzt. Bei hohem Druck ist aber die Stärke des Luftstromes entsprechend der höheren Dichte größer. Durch die elektronische Ansteuerung des Ventils kann dem Brennraum Luft zu vielen verschiedenen Zeitpunkten innerhalb des Verbrennungszyklus zugeführt werden. Dieses ist für die flexible Steuerung der Abläufe von Vorteil.As for the late injection of gases anyway air at high Printing is required when opening the valve Combustion chamber can be loaded with more than 1 bar. The advantages of Charges for increasing performance per volume are known. At high and low pressure, the strength of the air flow is through the speed of sound is limited. At high pressure, however Strength of the air flow corresponding to the higher density. The combustion chamber can be controlled electronically Air at many different times within the Combustion cycle are supplied. This is for the flexible Controlling the processes is an advantage.

Burning mixtures that are difficult to burn

Durch die mit der HDGE mögliche starke Erhöhung der Turbulenz (und deren Variabilität) zum Zeitpunkt der Zündung können auch sonst nur schwierig vollständig zu verbrennende Gemische sauber verbrannt werden. So ist die HDGE von besonderem Vorteil bei der Verbrennung magerer Gemische. Die Anforderungen an die Qualität des Kraftstoffes sind daher gering und es lassen sich auch sonst schwer brennbare Gemische verbrennen. The strong increase in turbulence possible with the HDGE (and their variability) at the time of ignition can also otherwise difficult to completely burn combustible mixtures clean become. So the HDGE is of particular advantage in the Lean mixture combustion. The quality requirements of the fuel are therefore low and it is difficult to do otherwise burn combustible mixtures.

Text for the illustrations Fig. 1 Arrangement for high pressure mixture injection

Die Hochdruckgemischeinblasung erfolgt über Vormischbereich VM, der mit Luft bei hohem Druck versorgt wird, z. B. über einen Kompressor der vom laufenden Motor betrieben wird.The high-pressure mixture injection takes place via the premixing area VM, which is supplied with air at high pressure, e.g. B. over a Compressor that is operated by the running engine.

Über das Ventil V2 wird dem Vormischbereich flüssiger Kraftstoff zugeführt. Über das Ventil V1 wird Luft oder Gemisch direkt dem Brennraum zuführt, d. h., das Ventil V1 mündet im Brennraum und schließt auf der Brennraumseite ohne Nischen ab.The premixing area becomes liquid fuel via the valve V2 fed. Air or mixture is directly added to the valve via valve V1 Supplies combustion chamber, d. that is, the valve V1 opens into the combustion chamber and closes on the combustion chamber side without niches.

Öffnet nur das Ventil V1, so wird dem Brennraum nur Luft zugeführt. Das Ventil soll (z. B. über eine piezoelektrische Ansteuerung) eine so kurze Öffnungsdauer (unter 10 msec) haben, daß auch bei hoher Umdrehungszahl mehrfach Gas in den Brennraum eingeblasen werden kann. Auch das Ventil V2 soll schnell öffnen, um der im Vormischbereich fließenden Luft mehrfach unterschiedliche Mengen Kraftstoff zugeben zu können.If only valve V1 opens, only air is supplied to the combustion chamber. The valve should do so (e.g. via a piezoelectric control) short opening times (less than 10 msec) have that even with high Number of revolutions of gas can be blown into the combustion chamber can. Valve V2 should also open quickly in order to Premixing area flowing air several times different amounts To be able to add fuel.

Fig. 2

Über das Ventil V1 wird dem Brennraum in einem Verbrennungszyklus von 0-720⁰ KW mehrfach entweder Luft oder Kraftstoff-Luft- Gemisch zugeführt. Während der Öffnungszeit von V1 kann auch das Ventil V2 mehrfach geöffnet werden, um dem Luftstrom Kraftstoff zuzugeben. Das Motormanagement steuert für beide Ventile jeweils Öffnungsdauer und Lage des Öffnungsintervalls relativ zum Kurbelwinkel. Die Öffnungsintervalle der Ventile sind beispielhaft angedeutet durch das Symbol [ ].Via the valve V1, either air or a fuel-air mixture is fed to the combustion chamber several times in a combustion cycle of 0-720 ⁰ KW. During the opening time of V1, valve V2 can also be opened several times in order to add fuel to the air flow. The engine management controls the opening duration and position of the opening interval relative to the crank angle for both valves. The opening intervals of the valves are exemplified by the symbol [].

Im angegebenen Beispiel wird dem Brennraum zunächst Luft im Intervall [1], dann mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch im Intervall [2], dann im Intervall [3] eine kleine Menge fetteres Gemisch zugegeben. Im Intervall [2] wird über V2 im Vergleich zur Luftmenge wenig Kraftstoff, im Intervall [3] wird über V2 im Vergleich zur Luftmenge viel Kraftstoff zugegeben. Die resultierende Ladung besteht dann aus einem großen in Luft eingebetteten mageren Bereich, in den ein kleinerer fetterer Bereich eingebettet ist. Gegen Ende der Kompressionsphase in [4] wird dem Brennraum Luft zur Steuerung der Turbulenz zugegeben und während der Verbrennung [5] noch einmal Luft zur Nachverbrennung.In the example given, the combustion chamber is first aired in Interval [1], then lean fuel-air mixture in the interval [2], then a small amount of richer mixture is added in the interval [3]. In the interval [2] there is little over V2 compared to the air volume Fuel, in the interval [3] is above V2 compared to the air volume lots of fuel added. The resulting charge then consists of a large lean area embedded in air, in the one smaller fatter area is embedded. Towards the end of the Compression phase in [4] is used to control the combustion air Turbulence added and again during the combustion [5] Air for post-combustion.

Fig. 3

Die resultierende Ladung im Brennraum hat in Wandnähe eine Schicht Luft, so daß Wärmeverluste zur Wand verkleinert werden. In diese Luft ist mageres Gemisch eingebettet. Durch die Menge des mageren Gemisches soll die Leistung des Motors variiert werden. Eingebettet in der mageren Ladung ist ein kleiner Bereich mit fetterem Gemisch (z. B. Λ = 1.0), der zur sicheren Zündung dient. Eine Öffnungsphase des Ventils V1 dient zur Erzeugung vermehrter Turbulenz.The resulting charge in the combustion chamber has a layer near the wall Air so that heat losses to the wall are reduced. In these Air is embedded in a lean mixture. By the amount of lean Mixture should vary the performance of the engine. Embedded in the lean charge is a small area with a richer mixture (e.g. Λ = 1.0), which is used for reliable ignition. An opening phase of the Valve V1 is used to generate increased turbulence.

Claims

1. Arrangement for loading and controlling an engine, characterized in that
Air or fuel-air mixtures with stoichiometries between λ = 0.8 and ∞ are blown into the combustion chamber at high pressure from a premixing area via a valve V1 that opens directly into the combustion chamber and is opened several times during an engine cycle,
a modulated stoichiometry is imparted to the gas flowing into the combustion chamber through a second valve V2 opening in the premixing area and spraying liquid fuel one or more times into the inflowing air during an opening of valve V1,
whereby both valves are controlled by the engine management, depending on the operating state, in such a way that the mixtures are blown in at preselectable crank angle intervals and,
that a charge stratification is formed in the combustion chamber with a large lean and a smaller rich area, wherein the area containing the fuel can also be surrounded by air on the outside
and that the smaller richer area is ignited by the compression,
and that at least one opening of the valve V1 takes place to control the burning function.

2. Arrangement for loading and controlling an engine according to claim 1, characterized in that at least one Opening of the multi-opening valve to control the Burning function takes place.

3. Arrangement for loading and controlling an engine according to claim 1, characterized in that the valves with work faster than 10 msec.

4. Arrangement for loading and controlling an engine according to claim 1, characterized in that the valve or valves be operated piezoelectrically and the stroke of the valve by a Translation is enlarged.

5. Arrangement for loading and controlling an engine according to claim 1, characterized in that the blown Mixture is ignited by compression.

6. Arrangement for loading and controlling an engine according to claim 1, characterized in that a second valve as Exhaust valve is used.

7. Arrangement for loading and controlling an engine according to claim 1, characterized in that a valve V1 The combustion chamber is charged.