DE3920089A1 - IC engine with two electrodes in each combustion chamber - has fuel injection nozzle and spark plug electrodes arranged so that in spreading of flame core disturbing influences are prevented - Google Patents

IC engine with two electrodes in each combustion chamber - has fuel injection nozzle and spark plug electrodes arranged so that in spreading of flame core disturbing influences are prevented

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Abstract

The injection nozzle is directed on the open space (16) between the electrodes (5,6) where the ignition sparks (36) occur. The desired spreading direction of the flame core or of the flame lies in the injection direction (19) of the injection nozzle (7) behind the electrodes (5,6). The centre of the combustion chamber (1) lies in the injection direction of the injection nozzle (7) behind the electrodes (5,6). A spark plug (4) serves as the ignition unit, the middle axis of which runs at an angle of 90 deg. to the injection direction (19) of the injection nozzle. The spark plug electrodes (5,6) are aligned to the injection direction, so that at least one part of the injected fuel mixture (37) lands unhindered in between the electrodes through the open space (16). USE/ADVANTAGE - IC engine. Designed to give reproducible, uniform combustion of the fuel mixture. Fluctuations due to fuel inhomogeneities and heat extraction are prevented.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Verbrennungsmotor gemäß der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to an internal combustion engine according to the Genus of the main claim.

In Verbrennungsmotoren läuft die Verbrennung des einge­ spritzten Kraftstoffgemischs nicht stets gleichmäßig ab, vielmehr treten starke zyklische Schwankungen beim Verbrennungsablauf auf. Lokale Gemischinhomogenitäten und Restgasanteile sowie von Zyklus zu Zyklus stocha­ stisch schwankende Strömungsmuster im Bereich der Zünd­ kerzenelektroden führen zu sehr unterschiedlichen Aus­ breitungen des vom Zündfunken ausgehenden Flammkernes. Der Ablauf der Verbrennung des Kraftstoffgemisch im Brennraum ist somit mit entsprechenden Schwankungen behaftet. Bereits die zeitlich als auch räumlich va­ riierende Flammkernbildung enthält schon die Richtung der gesamten Flammenausbreitung, wobei entsprechend der unterschiedlichen Richtung der Flammenausbreitung un­ terschiedliche Wärmeverluste bereits zu Beginn der Ver­ brennung auftreten können. Derartige Wärmeverluste tre­ ten insbesondere in der Umgebung relativ kalter Flächen auf, wie sie von den Wandungen des Brennraumes gebildet werden. Treten derartige Wärmeverluste zu Beginn des Verbrennungsvorganges auf, wobei der Flammkern ein nur sehr geringes Volumen besitzt, so können dadurch erhe­ bliche Beeinträchtigungen der Verbrennung entstehen. In internal combustion engines, the combustion of the did not always spray evenly strong cyclical fluctuations occur Combustion process on. Local mixture inhomogeneities and residual gas fractions and from cycle to cycle stocha flow fluctuations in the area of the ignition candle electrodes lead to very different designs Spreads of the flame core emanating from the ignition spark. The sequence of combustion of the fuel mixture in the The combustion chamber is therefore subject to fluctuations afflicted. Already the temporally as well as spatially Rising flame core formation already contains the direction of the total flame spread, whereby according to the different direction of the flame spread un Different heat losses at the beginning of the ver burning can occur. Such heat losses tre especially in the area of relatively cold surfaces on how they are formed by the walls of the combustion chamber will. Such heat loss occurs at the beginning of the Combustion process, with the flame core a only has a very small volume, so it can Combustion is adversely affected.  

Der Flammkern kann sogar erlöschen. Da die Verbrennung bei einem herkömmlichen Ottomotor trotz der vorhandenen stochastischen Schwankungen sichergestellt sein sollte, muß mit entsprechend hoher Zündenergie die Verbrennung iniziiert werden, damit auch bei ungünstigen Bedingun­ gen ein Löschen des Flammkerns nicht auftritt.The flame core can even go out. Because the combustion in a conventional gasoline engine despite the existing one stochastic fluctuations should be ensured combustion must be carried out with a correspondingly high ignition energy be initiated so that even under unfavorable conditions extinguishing of the flame core does not occur.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor mit den Merkma­ len des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die auf die Elektroden ausgerichtete Ein­ spritzung des Kraftstoffgemischs, welches sich ungehindert, d. h. ohne Wandwärmeverluste z. B. in Rich­ tung Zentrum des Brennraumes ausbreiten kann, ein re­ produzierbarer zeitlicher und räumlicher Verbrennungs­ verlauf erhalten wird. Das Kraftstoffgemisch sollte da­ bei möglichst homogen aufbereitet werden. Die erfin­ dungsgemäße Anordnung von Elektroden und Einspritzdüse hat weiterhin den Vorteil, daß im Brennraum befindliche Restgasanteile und Gemischinhomogenitäten, die die Zün­ dung beeinträchtigen würden, im Bereich zwischen den Elektroden zu Beginn des Zündvorganges nicht vorhanden sein können, da in diesen Bereich das restgasfreie und homogene Kraftstoffgemisch direkt eingespritzt wird. Weiterhin wird dadurch gewährleistet, daß der vom Zünd­ funken ausgehende Flammkern sich in Strahlrichtung des Kraftstoffgemischs als Anfangsrichtung im wesentlichen zur Mitte des Brennraumes ausbreitet. Eine Berührung relativ kalter Flächen und die damit verbundene Beein­ trächtigung des zeitlichen und räumlichen Ablaufs der Verbrennung werden damit zu Beginn der Verbrennung vermieden. Dies ist von großem Vorteil, da die Flammen­ ausbreitung gerade zu Beginn des Verbrennungsvorganges gegen Störeinflüsse sehr anfällig ist. Der sich aus dem elektrischen Funkenplasma stetig entwickelnde Flammkern ist zunächst - in einer Größe von nur wenigen mm - in seiner Energiebilanz sehr empfindlich, d. h. leicht be­ einflußbar durch Wärmeentzug über die Oberfläche (Quenching) oder Fehlen der Freisetzung chemischer Energie aus dem Kernvolumen, bedingt durch Gemischinho­ mogenität oder Restgasanteil. Hat der Flammkern eine Größe von einigen cm erreicht, läßt er sich in seiner Ausbreitung kaum noch stören, da das Verhältnis zwi­ schen der im Volumen freigesetzten chemischen Energie und der an der Oberfläche abgegebenen Energie wesent­ lich günstiger geworden ist als unmittelbar nach der Entstehung des Flammkerns. Da bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor die störenden Einflüsse zu Beginn der Flammkernbildung und Flammkernausbreitung weitgehend beseitigt werden, lassen sich die zyklischen Schwankun­ gen drastisch verringern, so daß auch mit geringerer Zündenergie eine sichere Zündung und vollständige Ver­ brennung gewährleistet ist. Die Laufruhe des Motors wird verbessert, insbesondere bei stark abgemagertem Gemisch.The internal combustion engine according to the invention with the Merkma len of the main claim has the advantage that by the aligned on the electrodes injection of the fuel mixture, which is unhindered, d. H. without wall heat loss z. B. Rich can spread center of the combustion chamber, a right producible temporal and spatial combustion course is obtained. The fuel mixture should be there are processed as homogeneously as possible. The invent arrangement of electrodes and injection nozzle according to the invention has the further advantage that located in the combustion chamber Residual gas proportions and mixture inhomogeneities that the Zün would affect the area between the Electrodes not available at the start of the ignition process can be because in this area the residual gas-free and homogeneous fuel mixture is injected directly. It also ensures that the ignition outgoing flame core spark in the beam direction of the Fuel mixture essentially as an initial direction spreads to the center of the combustion chamber. A touch relatively cold surfaces and the associated legs the temporal and spatial course of the Combustion will be at the beginning of the combustion avoided. This is of great benefit because of the flames spreading just at the beginning of the combustion process is very susceptible to interference. Which emerges from the electrical spark plasma steadily developing flame core is initially - in a size of just a few mm - in  very sensitive to its energy balance, d. H. easy be can be influenced by heat removal via the surface (Quenching) or lack of chemical release Energy from the core volume due to the mixture homogeneity or residual gas content. Does the flame core have one When it reaches a size of a few cm, it can be Spread hardly disturb, since the relationship between chemical volume released and the energy given off at the surface has become cheaper than immediately after Origin of the flame core. Since in the invention Internal combustion engine the disturbing influences at the beginning of Flame core formation and flame core spread largely can be eliminated, the cyclical fluctuations drastically reduce gene, so that even with less Ignition energy a safe ignition and complete ver burning is guaranteed. The smooth running of the engine is improved, especially in the case of severely emaciated Mixture.

Der erfindungsgemäße Motor kann mit einer herkömmlichen Zündkerze bestückt sein, die eine gerade und eine L- förmige Elektrode besitzt. Die gemeinsame Ebene beider Elektroden wird senkrecht zur Strahlrichtung der Ein­ spritzdüse ausgerichtet, wodurch erreicht wird, daß in den Freiraum zwischen den beiden Elektroden, wo der Zündfunke auftritt, das Kraftstoffgemisch ungehindert eingespritzt werden kann und sich von dort ebenfalls ungehindert durch Wandwärmeverluste im wesentlichen in Richtung Zentrum des Brennraumes weiter ausbreiten kann. Es können auch Zündkerzen mit anderen Elektroden­ formen verwendet werden, jedoch muß in jedem Fall ge­ währleistet sein, daß das zu zündende Kraftstoffgemisch ungehindert von der Einspritzdüse durch den Freiraum zwischen den Elektroden sich in der gewünschten Rich­ tung im Brennraum ausbreiten kann. Die Ausbreitungsge­ schwindigkeit des eingespritzten Kraftstoffgemischs kann zwischen 2 und 10 m/s liegen, jedoch ist insbeson­ dere eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von 3 bis 5 m/s bei Verwendung herkömmlicher Zündkerzen zweckmäßig.The motor according to the invention can be used with a conventional one Spark plug, one straight and one L- shaped electrode. The common level of both Electrodes become perpendicular to the beam direction spray nozzle aligned, whereby it is achieved that in the space between the two electrodes, where the Spark occurs, the fuel mixture unimpeded can be injected and also from there unhindered by wall heat loss essentially in Spread further towards the center of the combustion chamber can. You can also use spark plugs with other electrodes Forms are used, but must in any case ge ensures that the fuel mixture to be ignited free from the injector through the clearance between the electrodes in the desired Rich can spread in the combustion chamber. The spreading ge speed of the injected fuel mixture  can be between 2 and 10 m / s, but in particular another a propagation speed of 3 to 5 m / s useful when using conventional spark plugs.

Zeichnungdrawing

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigenThe invention is described below with reference to the drawings explained in more detail. Show it

Fig. 1 den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Ver­ brennungsmotors im Bereich eines im Zylinderkopf ausge­ bildeten Brennraumes, Fig. 1 shows the cross-section of a Ver invention brennungsmotors in the region of the cylinder head be formed combustion chamber,

Fig. 2 den grundsätzlichen Aufbau einer Einspritzanla­ ge mit Einspritzdüse, Fig. 2 shows the basic structure of a Einspritzanla ge with injection nozzle,

Fig. 3 und Fig. 4 zwei um 90° versetzte Ansichten der beiden Elektroden einer herkömmlichen Zündkerze, wie sie bei dem Verbrennungsmotor gemäß Fig. 1 Verwendung findet. Fig. 3 and Fig. 4, two 90 ° offset views of the two electrodes of a conventional spark plug, as found in the engine of FIG. 1 using.

Fig. 1 zeigt einen Auschnitt aus einem als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungsmotor, dessen Brennraum 1 von einem Zylinderkopf 2 und einem Kolben 3 begrenzt wird. In den Zylinderkopf 2 ist eine herkömmliche Zündkerze 4 eingeschraubt, deren Elektroden 5, 6 in den Brennraum 1 ragen. Die Mittelachse der Zündkerze 4 ist zur Strahl­ richtung einer in den Zylinderkopf 2 eingesetzten Ein­ spritzdüse 7 um 90° versetzt angeordnet. Fig. 1 shows an excerpt from a gasoline engine designed as internal combustion engine whose combustion chamber of a cylinder head 2 and a piston 3 bounded 1. A conventional spark plug 4 is screwed into the cylinder head 2 , the electrodes 5 , 6 of which protrude into the combustion chamber 1 . The central axis of the spark plug 4 is arranged for the jet direction of a spray nozzle 7 inserted into the cylinder head 2 offset by 90 °.

Kurz nach dem Zündzeitpunkt befindet sich der Kolben 3, der über eine Pleuelstange 8 mit der hier nicht darge­ stellten Kurbelwelle verbunden ist, in der hier darge­ stellten obersten Stellung, nämlich im "OBEREN TOTPUNKT". Dichtungsringe 9 dichten den vom Motorblock 10 umschlossenen Raum 11 gegenüber dem Brennraum 1 ab. Im Zylinderkopf 2 gelagerte Ventile 12, 13 sind geschlossen, so daß durch die nach erfolgter Zündung stattfindende Verbrennung des Kraftstoffgemischs den Arbeitshub auslöst und den Kolben 3 nach unten drückt.Shortly after the ignition point is the piston 3 , which is connected via a connecting rod 8 to the crankshaft, not shown here, in the uppermost position shown here, namely in the "TOP DEAD POINT". Sealing rings 9 seal the space 11 enclosed by the engine block 10 from the combustion space 1 . Valves 12 , 13 mounted in the cylinder head 2 are closed so that the working stroke is triggered by the combustion of the fuel mixture which takes place after the ignition has taken place and pushes the piston 3 downward.

Die Einspritzdüse 7 besitzt ein Nadelventil 14, welches gerade geöffnet ist, so daß das Gemisch aus Kraftstoff und Druckluft an der Düsenöffnung 15 in Richtung Elek­ troden 5, 6 als Kraftstoffgemisch mit einer Ausbrei­ tungsgeschwindigkeit von etwa 3 bis 5 m/s austritt. Das Kraftstoffgemisch durchströmt dabei auch den Freiraum 16 zwischen den beiden Elektroden 5, 6. Jetzt wird von einer Zündung 17 über eine elektrische Verbindung 18 die Zündspannung zur Zündkerze 4 übertragen, so daß im Freiraum 16 ein Zündfunke zwischen den beiden Elektro­ den 5, 6 überspringt. Dadurch wird in diesem Bereich ein Plasma erzeugt, aus dem ein sich in Richtung 19 ausbreitender Flammkern 20 entsteht. Wenige ms später ist der Flammkern 201 deutlich größer und befindet sich bereits ungefähr in der Mitte des Brennraumes 1.The injector 7 has a needle valve 14 , which is just opened, so that the mixture of fuel and compressed air at the nozzle opening 15 in the direction of elec trodes 5 , 6 as a fuel mixture at a speed of about 3 to 5 m / s emerges. The fuel mixture also flows through the free space 16 between the two electrodes 5 , 6 . Now the ignition voltage is transmitted from an ignition 17 via an electrical connection 18 to the spark plug 4 , so that in the free space 16 an ignition spark between the two electric jumps 5 , 6 . As a result, a plasma is generated in this area, from which a flame core 20 that spreads in the direction 19 is created. A few ms later, the flame core 201 is significantly larger and is already approximately in the middle of the combustion chamber 1 .

An die Zündung 17 sind weitere, hier nicht dargestellte Zündkerzen über Zündkabel 21, 22, 23 angeschlossen.Additional spark plugs, not shown here, are connected to the ignition 17 via ignition cables 21 , 22 , 23 .

Die senkrecht zur Bildebene verlaufende Mittelebene 24 der beiden Elektroden 5, 6 steht senkrecht zur Strahl­ richtung 19 der Einspritzdüse 7. Die Einspritzdüse 7 kann somit ungehindert in den Freiraum 16 Kraftstoffge­ misch einspritzen. Anhand von Fig. 3 und Fig. 4, die die Elektroden 5, 6 vergrößert zeigen, ist dies deut­ lich erkennbar.The central plane 24 of the two electrodes 5 , 6 , which runs perpendicular to the image plane, is perpendicular to the jet direction 19 of the injection nozzle 7 . The injector 7 can thus freely inject fuel mixture into the free space 16 . Referring to Fig. 3 and Fig. 4, showing the electrodes 5, 6 is increased, this is interpreting Lich recognizable.

In Fig. 2 ist der Aufbau der Einspritzdüse 7 mit ange­ schlossenen Steuereinrichtungen ersichtlich. Die Ein­ spritzdüse 7 wird von einem Elektromagneten 25 geöffnet, der gegen eine Druckfeder 26 die Nadel 27, des Nadelventils 14 in die dargestellte Offenstellung anhebt. Der Elektromagnet 25 wird von der Motorsteue­ rung 40 betätigt. Die Steuerung von Einspritzdüsen er­ folgt in Abhängigkeit von unterschiedlichen Motorpara­ metern und ist an sich bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.In Fig. 2 the structure of the injector 7 is shown with control devices connected. A spray nozzle 7 is opened by an electromagnet 25 , which raises the needle 27 , the needle valve 14 into the illustrated open position against a compression spring 26 . The electromagnet 25 is actuated by the engine control 40 . The control of injection nozzles he follows depending on different engine parameters and is known per se and is not the subject of the present invention.

Die Einspritzdüse 7 ist an einen Drucklufterzeuger 28 über eine Druckluftleitung 29 angeschlossen. Ein Druck­ luftregler 30 hält dabei den Druck in der Druckluftlei­ tung 29 konstant. Über eine Kraftstoffzumeß-Einrichtung 31 wird aus einem Tank 32 in das Gehäuse 33 Kraftstoff unter Druck eingeleitet, so daß in Verbindung mit der ebenfalls zugeführten Druckluft ein gewünschtes Kraft­ stoffgemisch erzeugt wird, welches durch den Ringraum 34 zur Düsenöffnung 15 gelangt.The injection nozzle 7 is connected to a compressed air generator 28 via a compressed air line 29 . A compressed air regulator 30 keeps the pressure in the Druckluftlei device 29 constant. Via a fuel metering device 31 , fuel is introduced under pressure from a tank 32 into the housing 33 , so that a desired fuel mixture is generated in conjunction with the compressed air also supplied, which mixture passes through the annular space 34 to the nozzle opening 15 .

In Fig. 3 ist die Seitenansicht der Zündkerze 4 von Fig. 1 im Bereich der Elektroden 5, 6 dargestellt, während Fig. 4 die Stirnseite 35 der Elektrode 6 zeigt. Bei Anlegen der Zündspannung tritt im Freiraum 16 ein Zündfunke 36 auf, der ein elektrisches Plasma erzeugt. Die dem Freiraum 16 benachbarte Einspritzdüse 7 spritzt in Richtung 19 das Kraftstoffgemisch 37 durch den Freiraum 16, so daß zum Zeitpunkt T1, der kurz auf den Zündzeitpunkt T0 folgt, ein sichelförmiger Flamm­ kern 38 entstanden ist. Kurze Zeit später kann der Flammkern 38 zum Zeitpunkt T2 ein größeres Volumen haben, wie es mit unterbrochenen Linien 39 dargestellt ist. Der Flammkern 38 wandert entsprechend der gewähl­ ten Spritzrichtung 19 zur Mitte des Brennraumes 1 (Fig. 1). FIG. 3 shows the side view of the spark plug 4 from FIG. 1 in the region of the electrodes 5 , 6 , while FIG. 4 shows the end face 35 of the electrode 6 . When the ignition voltage is applied, an ignition spark 36 occurs in the free space 16 , which generates an electrical plasma. The adjacent the free space 16 injector 7 injects the fuel mixture 37 in the direction 19 through the free space 16 , so that at the time T 1 , which follows the ignition timing T 0 , a crescent-shaped flame core 38 has formed. A short time later, the flame core 38 can have a larger volume at the time T 2 , as is shown by broken lines 39 . The flame core 38 moves according to the selected th 19 spray direction to the center of the combustion chamber 1 ( Fig. 1).

Claims (5)

1. Verbrennungsmotor, in dessen Brennräume jeweils zwei Elektroden einer elektrischen Zündeinrichtung ragen und mittels einer Einspritzdüse das Kraftstoffgemisch ein­ gespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ spritzdüse (7) auf den Freiraum (16) zwischen den Elek­ troden (5, 6), wo die Zündfunken (36) auftreten, ausge­ richtet ist, und daß in Spritzrichtung (19) der Ein­ spritzdüse (7) hinter den Elektroden (5, 6) die ge­ wünschte Ausbreitungsrichtung des Flammkerns bzw. der Flamme liegt.1. Internal combustion engine, in the combustion chambers of which two electrodes of an electrical ignition device protrude and the fuel mixture is injected by means of an injection nozzle, characterized in that the injection nozzle ( 7 ) on the free space ( 16 ) between the electrodes ( 5 , 6 ), where the ignition sparks ( 36 ) occur, is aimed, and that in the spray direction ( 19 ) of a spray nozzle ( 7 ) behind the electrodes ( 5 , 6 ) is the desired direction of propagation of the flame core or the flame. 2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Spritzrichtung der Einspritzdüse (7) hinter den Elektroden (5, 6) das Zentrum des Brenn­ raums (1) liegt.2. Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that in the injection direction of the injection nozzle ( 7 ) behind the electrodes ( 5 , 6 ) the center of the combustion chamber ( 1 ). 3. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zündeinrichtung eine Zündkerze (4) dient, deren Mittelachse in einem Winkel von 90° zu der Spritzrichtung (19) der Einspritzdüse (7) verläuft, und daß deren Elektroden (5, 6) so zur Spritzrichtung (19) ausgerichtet sind, daß wenigstens ein Teil des eingespritzten Kraftstoffgemischs (37) un­ gehindert in und durch den Freiraum (16) zwischen den Elektroden (5, 6) gelangt.3. Internal combustion engine according to one of claims 1 or 2, characterized in that a spark plug ( 4 ) serves as the ignition device, the central axis of which extends at an angle of 90 ° to the spray direction ( 19 ) of the injection nozzle ( 7 ), and in that the electrodes ( 5 , 6 ) are aligned with the spray direction ( 19 ) in such a way that at least some of the injected fuel mixture ( 37 ) passes unhindered into and through the free space ( 16 ) between the electrodes ( 5 , 6 ). 4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (5, 6) als Stift (5) und als ein diesen im Abstand über­ greifender L-förmiger Bügel (6) ausgebildet sind, deren gemeinsame Mittelebene (24) senkrecht zur Spritzrich­ tung (19) verläuft.4. Internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the two electrodes ( 5 , 6 ) are designed as a pin ( 5 ) and as a spaced-apart L-shaped bracket ( 6 ), the common center plane ( 24 ) perpendicular to the direction of injection ( 19 ). 5. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftstoff­ gemisch (37) mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von etwa 3 bis 5 m/s den Freiraum (16) während des Zünd­ zeitpunkts durchdringt.5. Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel mixture ( 37 ) with a propagation speed of about 3 to 5 m / s penetrates the free space ( 16 ) during the ignition point.
DE3920089A 1989-06-20 1989-06-20 IC engine with two electrodes in each combustion chamber - has fuel injection nozzle and spark plug electrodes arranged so that in spreading of flame core disturbing influences are prevented Withdrawn DE3920089A1 (en)

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