DE2930669A1 - Spark-ignition IC engine - fires mixture in auxiliary chamber to ignite fuel injected into connected main chamber - Google Patents

Spark-ignition IC engine - fires mixture in auxiliary chamber to ignite fuel injected into connected main chamber

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Abstract

The IC engine has the fuel ignited by an electric spark and has direct fuel injection. The main quantity of fuel is sprayed in one or more jets (4) by a conventional injector (9) directly into the combustion chamber near top dead centre of the compression stroke. As the jets emerge, they encounter ignition jets from a small auxiliary chamber (5), in which a fuel/air mixture has been formed by injection during the compression stroke. This mixture is ignited by a sparking plug (8) simultaneously with the commencement of injection into the main combustion chamber.

Description

INSTITUT FÜR MOTORENBAU PROF. HUBER e.V.INSTITUTE FOR ENGINE BUILDING PROF. HUBER e.V.

München, den 18. Juni 1979 Dr.Scha/RtMunich, June 18, 1979 Dr Scha / Rt

PatentanmeldunaPatent application

Verbrennungsmotor mit FackelzündungCombustion engine with torch ignition

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum und Entzündung der Kraftstoffeinspritzstrahlen durch eine Fackelzündung.The invention relates to an internal combustion engine with direct fuel injection into the combustion chamber and ignition of the fuel injection jets by a torch ignition.

Dieser Motor soll Kraftstoffe eines weiten Oktanzahlbereichs mit hohem Wirkungsgrad verbrennen und in mechanische Arbeit umwandeln.This engine is supposed to burn fuels of a wide octane number range with high efficiency and convert them into mechanical work.

Es ist bekannt, bei Verbrennungsmotoren die sog. Fackelzündung einzusetzen. Darunter versteht man eine kleine, durch Kanäle mit äem Hauptbrennraum verbundene Nebenkammer, in der eine Zündkerze zur Erzeugung elektrischer Zündfunken angeordnet ist und in der 3in homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt wird. Nach der Entzündung des Inhalts der Nebenkammer treten durch deren Verbinlungskanäle mit dem Hauptbrennraum heiße Gasstrahlen, sog. "Zündfackeln" mit großer Energie in den Hauptbrennraum aus und entzünden dort getrennt erzeugtes Luft-Kraftstoff-Gemisch.It is known to use so-called flare ignition in internal combustion engines. By this one understands a small one, through channels with A secondary chamber connected to the main combustion chamber, in which a spark plug for generating electrical ignition sparks is arranged and in which 3 is generated in a homogeneous air-fuel mixture. After the inflammation of the contents of the secondary chamber, hot gas jets, so-called "ignition torches", emerge through their connecting channels with the main combustion chamber with great energy into the main combustion chamber and ignite a separately generated air-fuel mixture there.

erstmals ist dieses Prinzip durch Nilow bekannt geworden (Zeitschrift "Automobilnaja promoslennost", Heft 8, UdSSR, 1958). Es ;ommt dort in einem Motor zur Anwendung, bei dem das Luft-Kraft- ;toff-Gemisch in der Nebenkammer und im Hauptbrennraum durch retrennte Einlaßventile während des Ansaughubes angesaugt wird, lachdem die Mischung von Luft und Kraftstoff in ebenfalls fetrennten Ansaugkanälen vorgenommen wurde. Das Brenngemisch im [auptbrennraum ist dabei weitgehend homogen, die Lastregelung irfolgt unter Zuhilfenahme einer Ansaugluft-Drosselung. Auf dem leichen Prinzip beruht das von der Firma Honda entwickelte CVCC-'erfahren (Automotiltechn. Zeitschrift ATZ 1973, S. 149).This principle was first made known by Nilow (magazine "Automobilnaja promoslennost", No. 8, USSR, 1958). It is used there in an engine in which the air-force ; toff mixture in the secondary chamber and in the main combustion chamber If separate intake valves are drawn in during the intake stroke, the mixture of air and fuel in laughs as well separate intake ducts. The combustion mixture in the main combustion chamber is largely homogeneous, the load control e takes place with the aid of an intake air throttling. On the The same principle is based on the CVCC experience developed by the Honda company (Automotiltechn. Zeitschrift ATZ 1973, p. 149).

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Bekannt geworden sind ferner Verfahren mit Nebenkammern mit sog. innerer Gemischbildung, bei denen Kraftstoff direkt in die Nebenkamme,r gespritzt wird und dort ein Gemisch erzeugt wird, das kraftstdffreicher ist als das im Hauptbrennraum (z.B. SKS-System der Fa. Porsche, vgl. Motortechnische Zeitschrift MTZ, Heft 10, 1974 und PCI-Verfahren der Fa. Volkswagen, vgl. SAE-Paper 741173 (1974), S. 1-11). Auch bei diesen Verfahren wird im Hauptbrennraum ein zwar mageres, aber homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt.Processes with secondary chambers with so-called. internal mixture formation, in which fuel directly into the secondary chamber, r is injected and a mixture is generated there that is richer in fuel than that in the main combustion chamber (e.g. SKS system from Porsche, see Motortechnische Zeitschrift MTZ, Issue 10, 1974 and PCI method from Volkswagen, see SAE Paper 741173 (1974), pp. 1-11). With this method, too, a lean but homogeneous air-fuel mixture is created in the main combustion chamber generated.

Verfahren mit inhomogenem Gemisch im Hauptbrennraum ohne Fackelzündung sind bekanntgeworden, bei denen die elektrische Funkenzündung direkt im Hauptraum vorgenommen wird. Hesselmann beschreibt erstmals einen Motor, in dessen Brennraum Kraftstoff in der Nähe des Zündtotpunkts eingespritzt und durch einen elektrischen Funken gezündet wird (SAE Transactions 35 (1934), S. 431-438) .Process with inhomogeneous mixture in the main combustion chamber without flare ignition have become known in which the electrical spark ignition is carried out directly in the main room. Hesselmann describes For the first time an engine in whose combustion chamber fuel is injected near the ignition dead center and by an electric one Spark is ignited (SAE Transactions 35 (1934), pp. 431-438).

Das sog. Texaco-Verfahren geht nach diesem Grundprinzip vor, indem es einen im Brennraum erzeugten Luftdrall benützt, in den großenteils während der Verbrennung Kraftstoff eingespritzt wird (SAE Quarterly Transactions 5, January 1951).The so-called Texaco process proceeds according to this basic principle by it uses an air swirl created in the combustion chamber into which fuel is largely injected during combustion (SAE Quarterly Transactions 5 January 1951).

Das sog. FM-Verfahren kombiniert die Gemischbildungsmerkmale des am Dieselmotor bekanntgewordenen M-Verfahrens mit einer elektrischen Funkenzündung (Zeitschrift Kfz-Technik 16 (1966), S. 6).The so-called FM method combines the mixture formation features of the on the diesel engine known M-process with an electric spark ignition (magazine Kfz-Technik 16 (1966), p. 6).

Das nach Baudiry benannte Verfahren des IFP erzielt im Brennraum geschichtete Ladung bei äußerer Gemischbildung, bei dem in der Umgebung der Zündkerze eine kraftstoffreichere Ladungszone gebildet wird (SAE Paper 28OF, 1961).The IFP process named after Baudiry achieves in the combustion chamber Stratified charge with external mixture formation, in which a charge zone that is richer in fuel is formed in the vicinity of the spark plug (SAE Paper 28OF, 1961).

Witzky hat ein Verfahren mit innerer Gemischbildung mit relativ früher Einspritzung von Kraftstoff in die im Zylinder rotierende Luftladung beschrieben, bei dem sich um die Zylinderachse ein kraftstoff reiches, durch Zündfunkeq entflammbares Gemisch bildet (SAC Parjor 660092, 1966).Witzky has a process with internal mixture formation with relative earlier described the injection of fuel into the air charge rotating in the cylinder, in which a Forms a fuel-rich mixture that is flammable due to ignition spark (SAC Parjor 660092, 1966).

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Die bisher bekannten Verfahren mit Fackelzündung weisen den wesentlichen Nachteil des homogenen Hauptraumgemischs auf. Die Teillastregelung kann nur begrenzt durch Kraftstoffverarmung des Gemischs erfolgen. Drosselung der Ansaugluft muß in Kauf genommen werden und damit Nachteile im Wirkungsgrad. Bei Volllast ist das Verdichtungsverhältnis durch die Klopffestigkeit des Kraftstoffs begrenzt, so daß dadurch einer Steigerung des thermischen Wirkungsgrads Grenzen gesetzt sind.The previously known methods with torch ignition have the major disadvantage of the homogeneous main room mixture. the Partial load control can only be limited by fuel depletion of the mixture. Throttling of the intake air must be accepted and thus disadvantages in efficiency. At full load the compression ratio is limited by the knock resistance of the fuel, so that an increase in the thermal efficiency limits are set.

Verfahren mit geschichteter Ladung im Hauptraum und Funkenzündung in diesem können die durch Klopfen für das Verdichtungsverhältnis gezogenen Grenzen insbesondere dann überwinden, wenn sie nach Art des Dieselmotors mit später, direkter Kraftstoffeinspritzung arbeiten und dann auch die mit Ansaugdrosselung verbundene Verlustarbeit vermeiden. Die Ladungsschichtung für alle Motorbetriebszustände so vorzunehmen, daß am festen Ort der Zündkerze immer zum thermodynamisch günstigsten Zeitpunkt eine Funkenzündung des Gemischs möglich ist, bereitet jedoch große Schwierigkeiten.Procedure with stratified charge in the main compartment and spark ignition in this can be done by tapping for the compression ratio Overcome drawn limits in particular when they are like the diesel engine with later, direct fuel injection work and then also avoid the loss of work associated with intake throttling. The charge stratification for all engine operating states make so that at the fixed location of the spark plug always at the thermodynamically most favorable point in time, a spark ignition of the Mixture is possible, but creates great difficulties.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde diese Nachteile zu vermeiden, bei allen Betriebszuständen ohne Ansaugluftdrosselung zu arbeiten und auch Kraftstoffe niedriger Oktanzahl mit höherem Verdichtungsverhältnis verwenden zu können als es für sog. Superkraftstoff bei üblichen Otto-Motoren zur Anwendung kommt.The invention is based on the object of avoiding these disadvantages, to work in all operating states without intake air throttling and also fuels with a lower octane number and a higher one To be able to use compression ratio as it is used for so-called super fuel in conventional Otto engines.

Diese Aufgabe wird erfin4ungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kraftstoff in den Hauptbrennraum durch direkte Einspritzung am Ende des Verdichtungstaktes eingebracht wird, wie dies auch beim Dieselmotor erfolgt. Die Mischung von Luft und Kraftstoff im Brennraum erfolgt überwiegend während der Verbrennung infolge der Ausbreitung der Einspritzstrahlen in der Luft und der Luftbewegung im Brennraum. Im Gegensatz zum Dieselmotor erfolgt die Zündungseinleitung jedoch nicht durch Selbstzündung, sondern durch Zündstrahlen (soy. Zündfackeln), die aus einer Nebenkammer austreten und auf die Kraftstoffstrahlen treffen. Diese Zündfackeln werden durch Verbrennung eines in der Nebenkammer, durch gesonderte Kraftstoffeinspritzung in diese, geschaffenen Gemischs er:-euqt.This object is achieved according to the invention in that the fuel is introduced into the main combustion chamber by direct injection at the end of the compression stroke, as is the case with the diesel engine he follows. The mixture of air and fuel in the combustion chamber takes place predominantly during the combustion as a result of the spread the injection jets in the air and the air movement in the combustion chamber. In contrast to the diesel engine, the ignition is initiated however, not by self-ignition, but by ignition beams (soy. ignition torches) that emerge from an adjoining chamber and hit the fuel jets. These ignition torches are through Combustion of one in the secondary chamber, through separate fuel injection in this, created mixture he: -euqt.

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Zur Einleitung der Verbrennung in der Nebenkammer dient eine in dieser angeordnete elektrische Zündkerze. Die Zündung in der Nebenkammer erfolgt etwa gleichzeitig mit der Einspritzung im Hauptbrennraum so, daß die Kraftstoffstrahlen kurz nach ihrem Austreten aus der Düse von den Zündstrahlen getroffen werden. Bei diesem Zusammentreffen wird der in den Hauptbrennraum eingespritzte Kraftstoff gezündet. Die Nebenkammer ist so klein (<1Οέ des Verdichtungsvolumens), daß die in ihr zur Herstellung eines ziindfähigen Gemisches pro Arbeitsspiel eingespritzte Kraftstoff menge kleiner ist als die Leerlaufspielmenge. Sie ist pro Arbeitsspie ]. lastunabhängig konstant und so bemessen, daß in der Nebenkammer möglichst große Brenngeschwindigkeit erzielt wird oder, im Falle der Neigung zur Selbstzündung des Nebenkammer-Gemisches, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Kammer entsteht, das noch nicht zur Selbstzündung führt.An electric spark plug arranged in the secondary chamber serves to initiate the combustion in the secondary chamber. The ignition in the Secondary chamber takes place approximately simultaneously with the injection in the main combustion chamber so that the fuel jets shortly after their Leaving the nozzle to be hit by the pilot jets. At this meeting, the one injected into the main combustion chamber is injected Fuel ignited. The secondary chamber is so small (<1Οέ of the compression volume) that it is used for production of an ignitable mixture, the amount of fuel injected per work cycle is smaller than the idle cycle amount. She is pro Work game]. Constantly independent of the load and dimensioned so that in the Secondary chamber as high a burning rate as possible is achieved or, in the case of a tendency towards self-ignition of the secondary chamber mixture, an air-fuel ratio is created in the chamber, that does not yet lead to auto-ignition.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen in der einfachen Req>'!unq, den geringen Anforderungen an die Klopffestigkeit dos Kraftstoffs und in dem höheren Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Die angesaugte Luftmenge muß lastabhängig nicht geregelt werden. Die Einspritzmenge in die Nebenkammer muß ebenfalls nicht «.ιι. regelt werden, sondern kann lastunabhängig für jedes Arbeitsspiel gleich groß sein. Die Lastregelung kann allein durch die Menge des in den Hauptraum gespritzten Kraftstoffs erfolgen. Ohne Begrenzung durch Klopfen des Kraftstoff-Luft-Gemischs kann das Verdichtungsverhältnis wirkungsgradoptimal ausgelegt werden. Ein Zündverzug des in den Hauptraum eingespritzten Kraftstoffs tritt praktisch nicht mehr auf, so daß die Steuerung! der Verbrennuncj durch den Einspritzverlauf vorgenommen werden kann.The advantages that can be achieved with the invention are simple Req> '! Unq, the low requirements for knock resistance dos fuel and in the higher efficiency of energy conversion. The amount of air sucked in does not have to be dependent on the load be managed. The amount injected into the secondary chamber also does not have to be. can be regulated, but can be load-independent for every work cycle must be the same. The load control can be controlled solely by the amount of fuel injected into the main compartment take place. Without limitation due to knocking of the fuel-air mixture the compression ratio can be designed for optimum efficiency. An ignition delay of the one injected into the main room Fuel practically no longer occurs, so that the control! the combustion is carried out by the course of the injection can be.

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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Zylinderkopf 1, Zylinder und Kolben 3 begrenzen den Hauptbrennraum 4. Im Zylinderkopf ist eine kleine Nebenkammer 5 angeordnet, die durch Verbindungskanäle 6 mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. Eine Einspritzdüse 7 dient zur Erzeugung eines zündfähigen Gemischs in der Nebenkammer. Dessen Zündung erfolgt durch einen elektrischen Funken der Zündkerze 8. Eine Einspritzdüse 9 dient zur Kraftstoffeinspritzung in den Hauptbrennraum. Die Einspritzdüse 9 erzeugt ebenso viele Kraftstoffstrahlen wie Verbindungskanäle zwischen der Nebenkammer und dem Hauptbrennraum angeordnet sind. Die aus den Verbindungskanälen 6 austretenden Gasstrahlen treffen in der Nähe der Einspritzdüse 9 mit den aus ihr austretenden Kraftstoffstrahlen zusammen und entzünden den in den Hauptraum eingespritzten Kraftstoff in der Nähe des Verdichtungs-Totpunkts. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Nebenkammer im Zylinderkopf, die Einspritzdüse 9 für die Hauptraumeinspritzung im Zylinder angeordnet. Beide liegen am Zylinderrand. Fig. 1 shows an embodiment. The cylinder head 1, cylinder and piston 3 delimit the main combustion chamber 4. A small secondary chamber 5 is arranged in the cylinder head and is connected to the main combustion chamber by connecting channels 6. An injection nozzle 7 is used to generate an ignitable mixture in the auxiliary chamber. Its ignition is carried out by an electrical spark from the spark plug 8. An injection nozzle 9 is used to inject fuel into the main combustion chamber. The injection nozzle 9 generates as many fuel jets as there are connecting channels between the secondary chamber and the main combustion chamber. The gas jets emerging from the connecting channels 6 meet in the vicinity of the injection nozzle 9 with the fuel jets emerging from it and ignite the fuel injected into the main space in the vicinity of the compression dead center. In this exemplary embodiment, the secondary chamber is arranged in the cylinder head, and the injection nozzle 9 for the main space injection is arranged in the cylinder. Both are on the edge of the cylinder.

Fig. 2 ze^igt ein weiteres Ausführumjsbeispiel mit Anordnung am Zylindtrr'and, bei der die Nebenkammer 1J im Zylinder, die Einspritzdüse 9 im Zylinderkopf angeordnet sind. Fig. 2 ze ^ IGT another Ausführumjsbeispiel with arrangement on the Zylindtrr'and, wherein the sub-chamber 1 J in the cylinder, the injection nozzle 9 are arranged in the cylinder head.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung von Nebenkammer 5 und Einspritzdüse 9 in Zylindermitte. Hier sind beide im Zylinderkopf angeordnet. Fig. 3 shows an arrangement of secondary chamber 5 and injection nozzle 9 in the center of the cylinder. Here both are arranged in the cylinder head.

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Claims (4)

PatentansprücheClaims 1. Verbrennungsmotor mit Zündung durch einen elektrischen Funken und direkter Kraftstoffeinspritzung, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptmenge des Kraftstoffs durch eine Einspritzanlage bekannter Bauart in einem oder mehreren Strahlen in der Nähe des Kompressionstotpunkts direkt in den Brennraum eingespritzt wird und die Kraftstoffstrahlen beim Austreten aus den Düsenöffnungen auf Zündstrahlen treffen, die aus einer kleinen, durch ein oder mehrere Kanäle mit dem Brennraum verbundenen Nebenkammer austreten, in der ein während des Verdichtungshubes durch Kraftstoffeinspritzung in die Nebenkammer erzeugtes Kraftstoff-Luftqemisch durch eine elektrische Zündanlage zeitgleich mit dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung in den Hauptraum gezündet wird. *1. Internal combustion engine with ignition by an electric Spark and direct fuel injection, characterized that the bulk of the fuel through an injection system of known type in one or more Radiate directly near the compression dead center is injected into the combustion chamber and the fuel jets when exiting the nozzle openings on pilot jets meet, from a small secondary chamber connected to the combustion chamber by one or more channels exit, in which a fuel is injected into the secondary chamber during the compression stroke Fuel-air mixture through an electrical ignition system is ignited at the same time as the start of fuel injection into the main compartment. * 2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ohne Ansaugluftdrosselung im gesamten Betriebsbereich arbeitet.2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the engine without intake air throttling throughout Operating area is working. 3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Nebenkammer pro Arbeitsspiel eingespritzte Kraftstoffmenge lastunabhängig für alle Betriebs zustände gleich ist und die Lastregelung allein durch die in den Hauptraum eingespritzte Kraftstoffmenge erfolqt.3. Internal combustion engine according to claim 1 and 2, characterized in that that the amount of fuel injected into the secondary chamber per work cycle is load-independent for all operations states is the same and the load control takes place solely through the amount of fuel injected into the main room. 4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenkammer mit dem Hauptraum mit der gleichen Zahl von Verbindungskanälen verbunden ist wie die Einspritzdüse, mit der Kraftstoff in den Hauntraum gespritzt wird, Einspritzöffnungen hat, und daß die Achsen der Verbindungskanäle und der Einspritzöffnungen sich in der Nähe der Einspritzdüse schneiden.4. Internal combustion engine according to claim 1 to 3, characterized in that that the secondary chamber is connected to the main room with the same number of connecting channels as the Injection nozzle, with which fuel is injected into the head space, has injection openings, and that the axes of the connecting channels and the injection ports intersect in the vicinity of the injection nozzle. 130011/0055 ORIGINAL INSPECTCD 130011/0055 ORIGINAL INSPECTCD
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