DE3843521A1 - Verfahren zur steuerung und/oder regelung der durchbrenngeschwindigkeit eines kraftstoff/luft-gemischs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/ oder Regelung der Durchbrenngeschwindigkeit eines in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine eingeschlossenen Kraft­ stoff/ Luft-Gemischs nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Aus der US-PS 28 44 135 ist ein Verfahren bekannt, mit dessen Hilfe die Verbrennung eines in einem Brennraum ein­ geschlossenen Kraftstoff/Luft-Gemischs beeinflußt wird. Hierzu wird im Brennraum zwischen einer gegenüber den an­ deren Bauteilen isolierten Elektrode einerseits und der Brennraumwand bzw. dem Kolben der Brennkraftmaschine an­ dererseits ein elektrisches Feld hoher Intensität erzeugt. Im Kraftstoff/Luft-Gemisch, vor allem an der Flammenfront, vorhandene Ionen erfahren in diesem Feld eine Kraft, wo­ durch die Ausbreitung der Flammenfront nach der Zündung des Gemischs gefördert wird. Die Stärke des elektrischen Feldes soll einerseits so hoch sein, daß eine Beeinflus­ sung der Verbrennung möglich ist, andererseits soll eine direkte Entladung von der Elektrode zum Kolben bzw. zur benachbarten Brennkammerwand jedoch vermieden werden. Auf diese Weise kann die Flammenfront in Ausbreitungsrichtung durch Krafteinwirkung auf die Ionen beschleunigt werden. Es ist jedoch nicht möglich, die Verbrennung selbst zu beschleunigen, d.h. die pro Zeiteinheit umgesetzte Energie zu erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch Vergrößerung der Ober­ fläche der Flammenfront den Verbrennungsablauf örtlich und zeitlich zu optimieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale ge­ löst. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Bei einer Brennkraftmaschine wird das im Brennraum einge­ schlossene Kraftstoff/Luft-Gemisch durch einen Turbulenz­ erzeuger, der vor und/oder nach jedem Zündbeginn einge­ schaltet wird, örtlich und zeitlich optimal und stark ver­ wirbelt. Folge dieser Verwirbelung ist ein Aufreißen der Flammenfront nach der Zündung und damit eine Vergrößerung ihrer Oberfläche, wodurch der Verbrennungsvorgang schnel­ ler ablaufen kann. Die Turbulenz wird dabei durch eine elektrische Entladung oder durch das Einblasen von Gas in den Brennraum erzeugt. Für die Wirkungsweise selbst ist es dabei von untergeordneter Bedeutung, ob die Turbulenz vor oder nach erfolgter Zündung des Gemischs erzeugt wird, d.h. ob das Gemisch verwirbelt wird oder die Flammenfront. Entscheidend ist, daß Turbulenzen im Brennraum derart zeit­ lich und örtlich erzeugt werden, daß die Verbrennung in weiten Grenzen gesteuert und/oder geregelt werden kann.

Die Erfindung sei nachstehend anhand der Zeichnung be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Brennraum einer Brennkraft­ maschine von oben mit einem elektrischen Entladungsorgan als Turbulenzerzeuger,

Fig. 2 einen Brennraum nach Fig. 1 mit einem Ein­ blaseorgan als Turbulenzerzeuger,

Fig. 3 einen Brennraum im Längsschnitt mit einem Einblaseorgan im Kolbenboden,

Fig. 4 einen Brennraum im Längsschnitt mit einer zweiten Ausführungsform eines Einblaseorgans im Kolbenboden,

Fig. 5 einen Brennraum im Längsschnitt in einer weiteren Ausführungsform.

In Fig. 1 ist schematisch ein Brennraum 1 einer Brenn­ kraftmaschine 2 zu sehen. In der Brennraumwand 3 ist ein elektrischer Turbulenzerzeuger angeordnet, der über ein Steuergerät 5 angesteuert wird. Als Turbulenzerzeuger kann z.B. eine Gleitkerze 4 benutzt werden, die vom Steuergerät 5 vor und/oder nach jeder Zündung im Brennraum 1 einge­ schaltet wird. Die durch die elektrische Entladung an der Gleitkerze 4 entstehende Stoßwelle 6 breitet sich von der Gleitkerze 4 ausgehend in den Brennraum 1 aus. Erfolgt die elektrische Entladung nach der Zündung des im Brennraum 1 eingeschlossenen Gemischs, so wird durch die Stoßwelle 6 die schematisch eingezeichnete Flammenfront 7 aufgerissen, so daß sich ihre Oberfläche stark vergrößert. Durch diese Oberflächenvergrößerung kann die Verbrennung optimal ab­ laufen. Der gleiche Effekt kann erzielt werden, wenn die Entladung bereits vor der Gemischzündung erfolgt, so daß die Flammenfront 7 schon eine turbulente Strömung im Brenn­ raum 1 vorfindet, während sie sich ausbreitet. Auch in diesem Falle wird die Flammenfront 7 aufgerissen und damit die reagierende Oberfläche vergrößert. Dabei ist es grund­ sätzlich ohne Bedeutung, ob die Stoßwelle 6 entgegen der Ausbreitungsrichtung der Flammenfront 7 oder in Richtung derselben gerichtet ist. Wesentlich ist nur die Erzeugung einer Turbulenz, die die Reaktionsoberfläche der Flammen­ front 7 vergrößert. Es ist jedoch denkbar, durch entspre­ chende Anordnung der Gleitkerze 4 der Flammenfront 7 eine bevorzugte Ausbreitungsrichtung zu geben, die den speziel­ len Anforderungen unterschiedlicher Brennraumgeometrien gerecht wird und somit die Flammenfront 7 örtlich zu opti­ mieren. Desweiteren kann eine Verbrennung gezielt dadurch gesteuert werden, daß nicht nur - wie bisher beschrieben - eine einzelne Turbulenz in Form einer einzelnen Stoßwelle 6 erzeugt wird, sondern mehrere Stoßwellen zeitlich hintereinander während des Verbrennungsablaufes. Dadurch kann die Verbrennung auch in ihrem zeitlichen Ablauf opti­ miert werden.

In der Fig. 2 sind, soweit sie übereinstimmen, die Be­ zugszeichen aus Fig. 1 übernommen. Mit 1 ist wiederum der Brennraum einer Brennkraftmaschine 2 in einer Ansicht von oben gezeigt. In der Brennraumwand 3 ist als Turbulenzer­ zeuger ein Einblaseorgan 8 vorgesehen, welches aus einem Druckspeicher 9, einem angesteuerten Ventil 10 und einer Einblaseleitung 11 mit Düse 12 besteht. Die Steuerung des Ventils 10 erfolgt über ein Steuergerät 5. Während des Kompressionshubes der Brennkraftmaschine wird der Druck­ speicher 9 bei geöffnetem Ventil 10 über die Leitung 11 mit einem Teil der Zylinderladung gefüllt und anschließend das Ventil 10 wieder geschlossen. Zu einem willkürlich gewählten Zeitpunkt, zu dem der Druck im Brennraum 1 ge­ ringer ist als der Druck im Speicher 9, öffnet das Steu­ ergerät 5 das Ventil 10, so daß die im Druckspeicher 9 gespeicherte Frischladung über die Leitung 11 und Düse 12 in den Brennraum 1 gelangt und dort die Turbulenz erzeugt, die nötig ist, um die Flammenfront 7 aufzureißen und damit ihre Oberfläche zu vergrößern, wodurch die Beschleunigung der Verbrennung erfolgt. Wie oben schon beschrieben, ist es wiederum gleichgültig, ob die Turbulenz vor oder hinter der Flammenfront 7 eingeleitet wird, d.h. ob die Strömung 13 auf die Flammenfront 7 zuläuft und dabei das unverbrann­ te Gemisch verwirbelt oder die Flammenfront 7 von ihrer Rückseite her aufreißt. Entscheidend ist die Turbulenzerzeugung im Brennraum 1 an sich. Durch die Ver­ wendung mehrerer anstelle eines einzigen Einblaseorganes 8, sowie die Wahl ihrer Verteilung im Brennraum 1 und des Zeitpunktes ihrer Ansteuerung läßt sich der Verbrennungs­ ablauf im Brennraum 1 örtlich und zeitlich optimieren.

Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das Einblaseorgan 8 im Boden eines Kol­ bens 14 angeordnet ist. In einem Längsschnitt ist ein Zy­ linderblock 15 mit einem Zylinderkopf 16 und dazwischen liegender Zylinderkopfdichtung 17 dargestellt. Der Zylin­ derkopf 16 enthält in üblicher Weise eine Zündkerze 18. Im Zylinderblock 15 läuft der Kolben 14 mit seinen Kolben­ ringen 19, der über ein Pleuel 20 mit der hier nicht ge­ zeigten Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbunden ist. Im Kolben 14 ist ein Speicherraum 21 vorgesehen, der beim Kompressionshub des Kolbens 14 über ein Rückschlag­ ventil 22 mit einem Teil der Frischladung des Zylinders gefüllt wird. Über einen geeignet geformten Steuernocken 23 am Pleuel 20 wird erreicht, daß beim Abwärtshub des Kolbens 14 nach dem oberen Totpunkt und damit auch nach eingeleiteter Verbrennung des Gemischs im Brennraum 1 das Blasventil 24 - wie hier dargestellt - geöffnet wird und die im Speicherraum 21 gespeicherte Frischladung in den Brennraum 1 ausströmen kann, sobald der Druck im Brennraum 1 geringer ist, als der Druck im Speicherraum 21. Auf die­ se Weise wird im Brennraum 1 eine Turbulenz erzeugt, die die Flammenfront aufreißt und damit die Verbrennung be­ schleunigt. Durch eine entsprechende Formgebung des Blasventils 24 und der Ausströmöffnungen 25 sowie der Ober­ fläche des Kolbens 14 kann eine optimale Strömungsausbil­ dung erreicht werden, die die Verbrennung in gewünschter Weise beeinflußt. Durch eine Feder 26, die sich an einer Platte 27 des Blasventils 24 einerseits und am Kolben 14 andererseits abstützt, wird das Blasventil 24 in seiner Schließstellung gehalten und nur durch die Kraft des Steu­ ernockens 23 geöffnet. Über einen zweiten Steuernocken 28 am Pleuel 20 kann das Blasventil 24 auch während des Kom­ pressionshubes des Kolbens 14 geöffnet werden, so daß über die Ausströmkanäle 25 Frischladung in den Speicherraum 21 gefördert wird. Diese Möglichkeit der Füllung des Speicher­ raumes 21 kann zusätzlich zum oder als Ersatz des Rück­ schlagventiles 22 vorgesehen werden. Außer durch die Steu­ ernocken 23 bzw. 28 des Pleuels 20 kann die Steuerung des Blasventils 24 selbstverständlich auch auf andere geeig­ nete Weise erfolgen, wie z.B. hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch über zugeordnete Steuergeräte. Es ist auch denkbar, daß die Steuerung über den im Brennraum 1 herr­ schenden Verbrennungsdruck erfolgt. Die Steuerung des Blas­ ventils 24 kann dabei eine Funktion von Last, Drehzahl oder Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine sein.

Einen weiteren Längsschnitt durch einen Brennraum 1 zeigt die Fig. 4, die, soweit sie übereinstimmen, die Bezugs­ zeichen der Fig. 3 aufweist. Im Unterschied zu dem in Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel weist das im Kolben 14 angeordnete Einblaseorgan 8 als Blasventil 24 federbelastete Rückschlagventile auf, die über die Umfangslänge des Kolbens 14 verteilt sein können. Der Spei­ cherraum 21 wird, wie schon weiter oben beschrieben, über das Rückschlagventil 22 beim Kompressionshub des Kolbens 14 mit einem Teil der Frischladung des Zylinders gefüllt. Bei der darauf folgenden Abwärtsbewegung des Kolbens 14 nach erfolgter Zündung wird diese Frischladung, sobald der Druck im Brennraum 1 und damit auch im Ringspalt 29 gerin­ ger ist als im Speicherraum 21, über die als Rückschlagven­ tile ausgebildeten Blasventile 24 und die dazugehörigen Ausströmöffnungen 25 in den Ringspalt 29 gefördert. Infol­ ge der durch die aus dem Ringspalt 29 in den Brennraum 1 ausströmende Frischladung verursachten Gasbewegung bzw. Turbulenzerzeugung wird eine günstigere Gemischbildung erzielt, wodurch die HC-Emissionen der Brennkraftmaschine gesenkt werden können und die Rußbildung bei einer Diesel­ brennkraftmaschine vermindert wird. Zur Erzielung einer optimalen Gasbewegung kann es von Vorteil sein, mehrere Ausströmöffnungen 25 bzw. Blasventile 24 über die Umfangs­ länge des Kolbens 14 verteilt am Ringspalt 29 anzuordnen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Fig. 5 beschrieben ist und wiederum die gleichen Be­ zugszeichen für übereinstimmende Teile aufweist, ist der Längsschnitt durch einen Brennraum 1 gezeigt. Im Kolben 14 ist mindestens ein Speicherraum 21 angeordnet, der mit einer Ausströmöffnung 25 versehen ist, die in den Ring­ spalt 29 zwischen Kolbenbodenfläche 30 und erstem Kolben­ ring 19 mündet. In diesem Falle weist die Einrichtung kein gesondertes Ventil auf, sondern die Füllung des Speicher­ raums 21 beim Kompressionshub des Kolbens 14 erfolgt durch die Verdrängung eines Teils der Frischladung aus dem Brenn­ raum 1 über den Ringspalt 29 in den Speicherraum 21. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 14 strömt die Frischla­ dung, wie weiter oben schon beschrieben, über die Ausström­ öffnungen 25 in den Ringspalt 29 und von dort in den Brenn­ raum 1, wo sie die erwünschte Turbulenz erzeugt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, zur Erzielung optimaler Verwirbelung mehrere Ausströmöffnungen 25 und auch mehrere Speicherräume 21 im Kolben 14 anzuordnen.

Diese beschriebene Anordnung läßt sich selbstverständlich auch statt im Kolben 14 in der Brennraumwand einsetzen, wobei die Ausströmöffnungen 25 des Speicherraumes 21 knapp oberhalb des Umkehrpunktes des ersten Kolbenringes 19 im oberen Totpunkt angeordnet sind.

Die Erfindung ist keinesfalls auf eine spezielle Art von Brennkraftmaschinen beschränkt, auch wenn sie hier am Bei­ spiel einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine be­ schrieben wurde, sondern läßt sich auch bei luftverdich­ tenden Brennkraftmaschinen einsetzen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Steuerung oder Regelung der Durchbrenn­ geschwindigkeit eines in einem Brennraum einer Brennkraft­ maschine eingeschlossenen Kraftstoff/Luft-Gemischs durch einen Turbulenzerzeuger, von dem aus die Ausbreitung der Flammenfront beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor und/oder nach jedem Zündbeginn der Turbulenzer­ zeuger (4 bzw. 8) definiert beaufschlagt wird und durch elektrische Entladung oder durch Einblasen von Gas die Verbrennungsluft und/oder die Flammenfront (7) zeitlich und örtlich optimal verwirbelt wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladung durch eine elektrisch angesteuerte Gleit­ kerze (4) ausgelöst wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einem Druckspeicher (9) mit mindestens einem gesteuerten Ventil (10) bestehendes Einblaseorgan (8) vor­ gesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einblaseorgan (8) in der Brennraumwand (3) der Brennkraftmaschine angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einblaseorgan (8) im Boden eines Kolbens (14) der Brennkraftmaschine angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einblaseorgan (8) mit mindestens einem als feder­ belastetes Rückschlagventil ausgebildeten Blasventil (24) versehen ist und zugehörige Ausströmöffnungen (25) be­ sitzt, welche im Ringspalt zwischen Kolbenbodenfläche (30) und erstem Kolbenring (19) münden.

7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Blasventil (24) des Einblaseorganes (8) durch das Kolbenpleuel (20) gesteuert wird.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Blasventil (24) des Einblaseorganes (8) in Abhän­ gigkeit von dem im Brennraum (1) herrschenden Verbrennungs­ druck gesteuert wird.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Blasventil (24) des Einblaseorganes (8) hydrau­ lisch angesteuert wird.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Blasventil (24) des Einblaseorganes (8) pneuma­ tisch angesteuert wird.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Blasventil (24) des Einblaseorganes (8) elektrisch angesteuert wird.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbulenzerzeuger aus mindestens einem im Kolben (14) oder in der Brennraumwand (3) angeordneten Speicher­ raum (21) besteht und daß der Speicherraum (21) mit min­ destens einer in den Ringspalt (29) zwischen Kolbenboden­ fläche (30) und erstem Kolbenring (19) mündenden Ausström­ offnung (25) versehen ist.