WO2005078256A2 - Direct injection spark-ignited internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a direct injection spark-ignited internal combustion engine with jet-controlled combustion, which comprises at least one inlet and one outlet channel and one injection device (1) per cylinder (10).

Description

Otto-Brennkraftmaschine mit DirekteinspritzungOtto engine with direct injection
Die Erfindung betrifft eine Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung in den Brennraum, welche nach einem strahlgeführten Brennverfahren arbeitet, mit zumindest einer Einspritzeinrichtung und einer Zündeinrichtung pro Zylinder.The invention relates to an Otto engine with direct injection into the combustion chamber, which works according to a jet-guided combustion process, with at least one injection device and one ignition device per cylinder.
Bei Otto-Brennkraftmaschinen mit direkter Einspritzung wird zwischen wandgeführten und strahlgeführten Brennverfahren unterschieden. Bei wandgeführten Brennverfahren wird der Einspritzstrahl mehr oder weniger direkt auf die Brennraumwand gerichtet. Dadurch steht eine erhöhte Aufbereitungszeit für die Gemischbildung zur Verfügung. Durch die relativ großen Freiheiten in der Anordnung der Einspritzeinrichtung - meistens nahe der Zylinderwand - können die Gaswechselventile hinsichtlich Lage und Anordnung optimal ausgelegt werden. Da Einspritzstrahl und Zündeinrichtung relativ weit entfernt voneinander angeordnet sind, kommt es zu keiner direkten Zündkerzenbenetzung. Das System ist gegenüber Veränderungen in der Form des Einspritzstrahles nur wenig empfindlich. Nachteilig ist allerdings, dass wandgeführte Brennverfahren begrenzte Schichtungsfähigkeit aufweisen. Bei wandgeführten Brennverfahren ergibt sich eine gezielte Kolbenwandbenetzung. In Folge des längeren Gemischtransportweges wirken sich die Grundströmung und die Fluktuationen stärker auf die Gemischschichtung und somit auf die Verbrennung aus.A distinction is made in Otto internal combustion engines with direct injection between wall-guided and jet-guided combustion processes. In wall-guided combustion processes, the injection jet is directed more or less directly at the combustion chamber wall. As a result, there is an increased preparation time for the mixture formation. Due to the relatively large freedom in the arrangement of the injection device - usually close to the cylinder wall - the gas exchange valves can be optimally designed in terms of location and arrangement. Since the injection jet and ignition device are arranged relatively far apart, there is no direct spark plug wetting. The system is only slightly sensitive to changes in the shape of the injection jet. However, it is disadvantageous that wall-guided combustion processes have limited layering ability. A targeted piston wall wetting results in wall-guided combustion processes. As a result of the longer mixture transport route, the basic flow and the fluctuations have a greater impact on the mixture stratification and thus on the combustion.
Bei strahlgeführten Brennverfahren dagegen wird der Einspritzstrahl nicht auf die Brennraumwand oder den Kolbenboden gerichtet, sondern es wird eine weitgehende Zerstäubung des Einspritzstrahles im Bereich der Zündeinrichtung angestrebt. Strahlgeführte Brennverfahren haben gegenüber wandgeführten Brennverfahren den Vorteil, dass sich eine extreme Schichtungsfähigkeit realisieren lässt, was sich unmittelbar günstig auf den Kraftstoffverbrauch niederschlägt. Zudem kann eine hohe Schichtungsstabilität erreicht werden. Nachteilig ist, dass es oftmals zu einer Benetzung der Zündeinrichtung kommt. Dies kann sich ungünstig auf die Verbrennungsstabilität auswirken. Das Brennverfahren weist darüber hinaus eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der Qualität und Form des Einspritzstrahles auf. Befindet sich die Funkenstrecke außerhalb des Gemischgebietes, so führt die fehlende Gemischentzündung zu Motorfehlfunktionen. Eine volle Benetzung der Elektroden und des Isolators hingegen führt zu Zündaussetzern und zu einem Ablagerungsbild am Isolator. Nur wenn die Funkenstrecke innerhalb des Gemischgebietes liegt, aber keine volle Benetzung der Elektroden und des Isolators stattfindet, kann eine optimale Motorfunktion erreicht werden. In Folge hoher Toleranzempfindlichkeit ist die Reproduzierbarkeit der Bedingungen für eine optimale Motorfunktion problematisch. Bei strahlgeführten Brennverfahren wird im Gegensatz zu wandgeführten Brennverfahren eine weitgehende Zerstäubung und Verdampfung des Einspritzstrahles im Bereich der Zündeinrichtung angestrebt, bevor dieser auf die Brennraumwand oder den Kolbenboden auftrifft. Strahlgeführte Brennverfahren haben gegenüber wandgeführten Brennverfahren den Vorteil, dass sich eine extreme Schichtungsfähigkeit realisieren lässt, was sich unmittelbar günstig auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Nachteilig ist, dass es oftmals zu einer Benetzung der Zündeinrichtung kommt. Dies kann sich ungünstig auf die Verbrennungsstabilität auswirken. Das Brennverfahren weist darüber hinaus eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der Qualität und Form des Einspritzstrahles auf. Befindet sich die Funkenstrecke außerhalb des Gemischgebietes, so führt die fehlende Gemischentzündung zu Motorfehlfunktionen. Eine volle Benetzung der Elektroden und des Isolators hingegen führt zu Erosionen und Ablagerungen an der Zündeinrichtung und in der Folge zu Zündaussetzern. Nur wenn die Funkenstrecke innerhalb des Gemischgebietes liegt, aber keine volle Benetzung der Elektroden und des Isolators stattfindet, kann eine optimale Motorfunktion erreicht werden. In Folge hoher Toleranzempfindlichkeit ist die Reproduzierbarkeit der Bedingungen für eine optimale Motorfunktion problematisch.In the case of jet-guided combustion processes, on the other hand, the injection jet is not directed onto the combustion chamber wall or the piston head, but rather the atomization of the injection jet in the region of the ignition device is aimed at. Jet-guided combustion processes have the advantage over wall-guided combustion processes that extreme stratification capability can be achieved, which has a direct, favorable effect on fuel consumption. In addition, high stratification stability can be achieved. It is disadvantageous that the ignition device is often wetted. This can adversely affect combustion stability. The combustion process is also highly sensitive to the quality and shape of the injection jet. If the spark gap is outside the mixture area, the missing mixture ignition leads to engine malfunctions. On the other hand, full wetting of the electrodes and the insulator leads to misfires and a deposit on the insulator. Optimal engine function can only be achieved if the spark gap is within the mixture area, but the electrodes and insulator are not fully wetted. Due to the high tolerance sensitivity, the reproducibility of the conditions for optimal engine function is problematic. In contrast to wall-guided combustion processes, jet-guided combustion processes aim to atomize and vaporize the injection jet in the area of the ignition device before it hits the combustion chamber wall or the piston crown. Jet-guided combustion processes have the advantage over wall-guided combustion processes that extreme stratification capability can be achieved, which has a direct, favorable effect on fuel consumption. It is disadvantageous that the ignition device is often wetted. This can adversely affect combustion stability. The combustion process is also highly sensitive to the quality and shape of the injection jet. If the spark gap is outside the mixture area, the missing mixture ignition leads to engine malfunctions. Full wetting of the electrodes and the insulator, on the other hand, leads to erosion and deposits on the ignition device and subsequently to misfires. Optimal engine function can only be achieved if the spark gap is within the mixture area, but the electrodes and insulator are not fully wetted. Due to the high tolerance sensitivity, the reproducibility of the conditions for optimal engine function is problematic.
Bei bekannten strahlgeführten Brennverfahren ist üblicherweise die Einspritzeinrichtung zentral im Bereich der Zylinderachse angeordnet, wie beispielsweise in der DE 195 46 945 AI geoffenbart. Die Zündkerze dagegen wird - je nach konstruktiven Gegebenheiten - seitlich versetzt dazu in der Brennraumdecke positioniert. Aus der DE 101 39 418 AI ist eine Otto-Brennkraftmaschine mit strahlgeführtem Brennverfahren bekannt, bei welcher die Zündeinrichtung zentral im Bereich der Zylinderachse und die Einspritzeinrichtung seitlich versetzt in unmittelbarer Nähe des Zündortes angeordnet ist.In known jet-guided combustion processes, the injection device is usually arranged centrally in the region of the cylinder axis, as disclosed, for example, in DE 195 46 945 AI. The spark plug, on the other hand, is positioned laterally offset in the combustion chamber ceiling, depending on the structural conditions. From DE 101 39 418 AI an Otto engine with jet-guided combustion method is known, in which the ignition device is arranged centrally in the area of the cylinder axis and the injection device is laterally offset in the immediate vicinity of the ignition location.
Unabhängig davon ob die Zündeinrichtung oder die Einspritzeinrichtung zentral im Bereich der Zylinderachse angeordnet ist, kommt es durch den relativen Platzbedarf beider Einrichtungen und die von der Zündeinrichtung in den Brennraum ragenden Teile zu Asymmetrien im Brennraum, welche die Ladungsschichtung und daher auch die Verbrennung vor allem hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Schadstoffbildung nachteilig beeinflussen.Regardless of whether the ignition device or the injection device is arranged centrally in the region of the cylinder axis, the relative space requirement of both devices and the parts protruding from the ignition device into the combustion chamber lead to asymmetries in the combustion chamber, which affect the charge stratification and therefore also the combustion, above all Adversely affect fuel consumption and pollutant formation.
In diesem Zusammenhang wurde am 24 Internationalen Wiener Motorensymposium vom 15. bis 16. Mai 2003 unter dem Titel "Laserinduzierte Zündung an einem Otto-DI-Brennverfahren der zweiten Generation" (siehe VDI-Fortschrittsbe- richte Reihe 12, Nr. 539; Geringer B. et al.) eine Laserzündeinrichtung bei einer Otto-Brennkraftmaschine beschrieben, deren Laserstrahl ein Eintrittsfenster im Bereich der Einspritzeinrichtung durchtritt und in einem Zündort innerhalb des Strahlkegels des Einspritzstrahles fokussiert ist. Die Achse der Einspritzeinrichtung weist zur Zylinderachse einen Winkel von ca. 20° auf. Die Technologiekom- bination strahlgeführtes Brennverfahren und laserinduzierte Zündung ermöglicht eine freie Wahl des Zündorts, eine direkte Zündung im Kraftstoffstrahl, und somit eine sichere und verschleißfreie Verbrennungseinleitung. Im Artikel wird auf die Problematik der Verschmutzung der Eintrittsoptik durch Ablagerungen im motorischen Verbrennungsprozess hingewiesen und jene Schwellenergie des Laserstrahls berechnet, die für ein Abtragen der Ablagerungen erforderlich ist.In this context, the 24th International Vienna Motor Symposium from May 15 to 16, 2003 entitled "Laser-induced ignition on a second-generation Otto DI combustion process" (see VDI Progress Reports Series 12, No. 539; Lower B . et al.) describes a laser ignition device in an Otto engine, the laser beam of which passes through an entry window in the region of the injection device and is focused in an ignition location within the jet cone of the injection jet. The axis of the injection device has an angle of approximately 20 ° to the cylinder axis. The technology com Combination of jet-guided combustion and laser-induced ignition enables a free choice of the ignition location, direct ignition in the fuel jet, and thus safe and wear-free combustion initiation. The article refers to the problem of contamination of the entrance optics due to deposits in the engine combustion process and calculates the threshold energy of the laser beam that is required to remove the deposits.
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Vorrichtung eine Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung in den Brennraum vorzuschlagen, welche nach einem strahlgeführten Brennverfahren arbeitet und eine Laserzündeinrichtung aufweist, wobei die durch die Einspritzeinrichtung und die Zündeinrichtung bedingten Asymmetrien im Brennraum weiter verringert werden sollen und die Entstehung von Ablagerungen am Eintrittsfenster der Laserzündung verzögert werden soll.The object of the invention is to propose, based on the known device described at the outset, an Otto engine with direct injection into the combustion chamber, which works according to a jet-guided combustion process and has a laser ignition device, the asymmetries in the combustion chamber caused by the injection device and the ignition device being further reduced and the formation of deposits at the entrance window of the laser ignition should be delayed.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine reproduzierbare Gemischaufbereitung mit minimalen Toleranzanforderungen für die Zündkerzen- und Injektorpositionierung zu schaffen.Another task is to create a reproducible mixture preparation with minimal tolerance requirements for the spark plug and injector positioning.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Achse der Einspritzeinrichtung annähernd parallel zur Zylinderachse ausgerichtet ist und einen Winkel ß von 0° bis 5° mit der Zylinderachse einschließt, sowie dass der zumindest eine Einlasskanal, im Hinblick auf dessen Verlauf, dessen Form und dessen Anordnung zur Einspritzeinrichtung derart ausgeführt ist, dass sich eine Tumble- und/oder Drallströmung etabliert, die kraftstoffarmes oder kraftstofffreies Zylindergas an das Eintrittsfenster der Laserzündeinrichtung heranführt. Dadurch wird insbesondere im Schichtbetrieb fettes Gemisch vom Eintrittsfenster ferngehalten, das Fenster gekühlt und die freie Weglänge der Ladung für Abdampf- und Abtransportprozesse verlängert.According to the invention, this is achieved in that the axis of the injection device is aligned approximately parallel to the cylinder axis and includes an angle β of 0 ° to 5 ° with the cylinder axis, and in that the at least one inlet channel with regard to its course, its shape and its arrangement for the injection device is designed in such a way that a tumble and / or swirl flow is established which brings low-fuel or fuel-free cylinder gas to the entry window of the laser ignition device. As a result, a fat mixture is kept away from the entrance window, in particular in shift operation, the window is cooled and the free path length of the load for evaporation and removal processes is extended.
Erfindungsgemäß können diese Effekte dadurch verstärkt werden, dass die Kolbenoberfläche im Zusammenspiel mit der Geometrie des Zylinderkopfes im oberen Totpunkt eine Quetschströmung erzeugt, die kraftstoffarmes oder kraftstofffreies Zylindergas am Eintrittsfenster der Laserzündeinrichtung vorbeiführt.According to the invention, these effects can be amplified by the fact that the piston surface, in interaction with the geometry of the cylinder head at top dead center, generates a squeezing flow that leads to fuel-free or fuel-free cylinder gas past the entry window of the laser ignition device.
Weiters ist vorgesehen, dass die Strahlachse der Laserzündeinrichtung mit der Achse der Einspritzeinrichtung einen spitzen Winkel α von 7° bis 22°, vorzugsweise von 9° bis 20°, einschließt.It is further provided that the beam axis of the laser ignition device includes an acute angle α of 7 ° to 22 °, preferably of 9 ° to 20 °, with the axis of the injection device.
Die Laserzündeinrichtung kann in vorteilhafter Weise unter einem sehr spitzen Winkel zur Einspritzeinrichtung angeordnet sein, da durch die Tatsache der sicheren Entzündung im Bereich des Strahlrandes eine sehr geringe Toleranzempfindlichkeit besteht. Weiters kann Kolbenmulde zentral, annähernd kreisförmig ausgeführt werden und optimal den Bedürfnissen der Schichtung angepasst werden. Der Zündort kann in Bereiche hoher Strömungsgeschwindigkeiten gelegt werden, da ein "Ausblasen des Zündfunkens" aufgrund der sehr kurzen Plasmastandzeit nicht möglich ist.The laser ignition device can advantageously be arranged at a very acute angle to the injection device, since there is very little tolerance sensitivity due to the fact that the ignition is reliable in the region of the beam edge. In addition, the piston bowl can be made centrally, approximately circular and optimally adapted to the needs of the stratification. The ignition location can be set in areas of high flow velocities, since "blowing out the ignition spark" is not possible due to the very short plasma life.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Kolbenoberfläche eine die Tumble- und/oder Drallströmung unterstützende Form aufweisen.According to a development of the invention, the piston surface can have a shape that supports the tumble and / or swirl flow.
Für einen ablagerungsfreien bzw. -armen Betrieb wird eine parallel gerichtete Ladungsbewegung an das Eintrittsfenster geführt. Im Schichtbetrieb kann der Zündort bevorzugt stromaufwärts der Einspritzung liegen, damit Abdampf- und Abtransportprozesse von fettem Gemisch begünstigt werden.For a deposit-free or low-deposit operation, a parallel charge movement is led to the entrance window. In stratified operation, the ignition location can preferably be located upstream of the injection, so that the evaporation and removal processes are favored by the rich mixture.
Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Zündort der Zündeinrichtung außerhalb des Strahlkegels angeordnet ist und dass die Zündeinrichtung eine in den Strahlkegel des Einspritzstrahles ragende Umlenkfläche aufweist, um einen Teil des Einspritzstrahles zum Zündort zu leiten, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass die Umlenkfläche zumindest 1 mm, vorzugsweise zumindest 2,5 mm tief in den Strahlkegel des Einspritzstrahles hineinragt. Die in Richtung des Teiles des Einspritzstrahles gemessene Tiefe der Umlenkfläche beträgt vorzugsweise mindestens 2,0 mm. Prinzipiell kann für die Umlenkfläche jede Form gewählt werden, die eine Staupunktströmung bzw. Umlenkung zum Zündort ermöglicht und durch die Temperatur die Verdampfung fördert. Insbesondere kann die Umlenkfläche auch kugelförmig sein, wodurch der Vorteil einer Drehrichtungsabhängigkeit erreicht wird. Durch die Umlenkfläche wird einerseits sichergestellt, dass sich zum Zündzeitpunkt ein zündfähiges Gemisch im Bereich der Funkenstrecke befindet. Andererseits kann durch die Umlenkfläche der Zündort in ausreichendem Abstand außerhalb des Strahlkegels angeordnet werden, so dass eine volle Benetzung der Elektroden und des Isolators der Zündeinrichtung vermieden wird.A further embodiment of the invention provides that the ignition location of the ignition device is arranged outside the jet cone and that the ignition device has a deflection surface protruding into the jet cone of the injection jet in order to guide part of the injection jet to the ignition location, wherein it is preferably provided that the deflection surface protrudes at least 1 mm, preferably at least 2.5 mm deep into the jet cone of the injection jet. The depth of the deflection surface measured in the direction of the part of the injection jet is preferably at least 2.0 mm. In principle, any shape can be selected for the deflecting surface which enables a stagnation point flow or deflection to the ignition location and which promotes evaporation through the temperature. In particular, the deflection surface can also be spherical, whereby the advantage of being dependent on the direction of rotation is achieved. The deflection surface on the one hand ensures that an ignitable mixture is located in the area of the spark gap at the time of ignition. On the other hand, the deflection surface allows the ignition location to be arranged at a sufficient distance outside the beam cone, so that full wetting of the electrodes and the insulator of the ignition device is avoided.
In einer sehr einfachen Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umlenkfläche im Wesentlichen eben ausgebildet ist und etwa normal zur Erzeugenden des Strahlkegels des Einspritzstrahles angeordnet ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Umlenkfläche zur Achse der Zündeinrichtung geneigt ausgebildet ist, wobei der Winkel zwischen Zündeinrichtung und Umlenkfläche vorzugsweise maximal 30° beträgt.In a very simple embodiment variant of the invention, it is provided that the deflecting surface is essentially flat and is arranged approximately normal to the generator of the jet cone of the injection jet. It is particularly advantageous if the deflection surface is inclined to the axis of the ignition device, the angle between the ignition device and deflection surface preferably being a maximum of 30 °.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:The invention is explained in more detail below with reference to the figures. In a schematic representation:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Otto-Brennkraftmaschine für flüssigen und gasförmigen Kraftstoff in einer Schnittdarstellung;1 shows an Otto internal combustion engine according to the invention for liquid and gaseous fuel in a sectional view;
Fig. 2 eine Variante gemäß Fig. 1 mit einem Mehrlochinjektor; Fig. 3 bis Fig. 5 weitere Ausführungsvarianten der Brennkraftmaschine nach Fig. 1;FIG. 2 shows a variant according to FIG. 1 with a multi-hole injector; 3 to 5 show further embodiment variants of the internal combustion engine according to FIG. 1;
Fig. 6 die Lage von Einspritz- und Zündeinrichtung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;6 shows the position of the injection and ignition device of an internal combustion engine according to the invention;
Fig. 7 ein Detail aus Fig. 6; undFIG. 7 shows a detail from FIG. 6; and
Fig. 8 die Zündeinrichtung in einer Seitenansicht gemäß dem Pfeil VIII in Fig. 7.8 shows the ignition device in a side view according to arrow VIII in FIG. 7.
Gemäß Fig. 1 sind pro Zylinder 10 die Einspritzeinrichtung 1 und die Laserzündeinrichtung 2 in einem nicht weiter dargestellten Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnet und münden in einen Brennraum 3 ein. Mit 4 ist der Strahlkegel des Einspritzstrahles 5 der Einspritzeinrichtung 1 bezeichnet. Der Zündort 6, der Fokus des Laserstrahls, ist innerhalb des Strahlkegels 4, d.h. innerhalb der geometrischen Einhüllenden, des Einspritzstrahles 5 angeordnet. Die Einlasskanäle 13 und Auslasskanäle 14 sind im dargestellten Beispiel strichliert eingezeichnet.1, the injection device 1 and the laser ignition device 2 are arranged in a cylinder head of an internal combustion engine, not shown, and open into a combustion chamber 3. The jet cone of the injection jet 5 of the injection device 1 is designated by 4. The ignition location 6, the focus of the laser beam, is within the beam cone 4, i.e. arranged within the geometric envelope, the injection jet 5. The inlet channels 13 and outlet channels 14 are shown in dashed lines in the example shown.
Als Zündeinrichtung ist eine Laserzündeinrichtung 2 vorgesehen, deren Laserstrahl ein Eintrittsfenster 7 im Bereich der Mündung 8 der Einspritzeinrichtung 1 durchtritt und in einem Zündort 6 innerhalb des Strahlkegels 4 des Einspritzstrahles 5 fokussiert ist. Die Strahlachse 2' der Laserzündeinrichtung 2 kann mit der Achse 1' der Einspritzeinrichtung 1 einen sehr spitzen Winkel α von 7° bis 22°, vorzugsweise von 9° bis 20° einschließen, sodass eine kompakte, im Bereich der Zylinderachse 10' konzentrierte Baugruppe aus Einspritzeinrichtung und Zündeinrichtung realisiert werden kann. Dabei ist die Achse 1' der Einspritzeinrichtung 1 annähernd parallel zur Zylinderachse 10' ausgerichtet ist und schließt mit der Zylinderachse einen Winkel ß von 0° bis 5° ein.A laser ignition device 2 is provided as the ignition device, the laser beam of which passes through an entry window 7 in the region of the mouth 8 of the injection device 1 and is focused in an ignition location 6 within the jet cone 4 of the injection jet 5. The beam axis 2 'of the laser ignition device 2 can form a very acute angle α of 7 ° to 22 °, preferably of 9 ° to 20 °, with the axis 1' of the injection device 1, so that a compact assembly concentrated in the area of the cylinder axis 10 ' Injection device and ignition device can be realized. The axis 1 'of the injection device 1 is oriented approximately parallel to the cylinder axis 10' and encloses an angle β of 0 ° to 5 ° with the cylinder axis.
Der zumindest eine Einlasskanal 13 ist im Hinblick auf dessen Verlauf, dessen Form und dessen Anordnung zur Einspritzeinrichtung 1 derart ausgeführt, dass sich eine Tumble- und/oder Drallströmung etabliert (siehe Fig. 3 bis Fig. 5), die kraftstoffarmes oder kraftstofffreies Zylindergas an das Eintrittsfenster 7 der Laserzündeinrichtung 2 heranführt.With regard to its course, its shape and its arrangement with respect to the injection device 1, the at least one inlet duct 13 is designed such that a tumble and / or swirl flow is established (see FIGS. 3 to 5) that applies to the fuel-free or fuel-free cylinder gas leads the entrance window 7 of the laser ignition device 2.
Die Einspitzeinrichtung 1 ist annähernd zentral zum Zylinder 10 angeordnet, sodass deren Mündung 8 lediglich eine Exzentrizität E zur Zylinderachse 10' von 0 bis 0,05mal den Kolbendurchmesser D aufweist.The injection device 1 is arranged approximately centrally to the cylinder 10, so that its mouth 8 only has an eccentricity E to the cylinder axis 10 'of 0 to 0.05 times the piston diameter D.
Beste Zündergebnisse ergeben sich dann, wenn der Zündort 6 1 mm bis 4 mm innerhalb des Strahlkegels 4 des Einspritzstrahles 5 positioniert ist (siehe Abstand Z) und der Eintrittsort des Laserstrahles am Strahlkegel 4 10 mm bis 16 mm stromabwärts der Mündung 8 der Einspritzeinrichtung 1 angeordnet ist (siehe Abstand X).The best ignition results are obtained when the ignition location 6 is positioned 1 mm to 4 mm within the jet cone 4 of the injection jet 5 (see distance Z) and the point of entry of the laser beam on the jet cone 4 is 10 mm to 16 mm downstream of the mouth 8 of the injection device 1 (see distance X).
Wie in Fig. 2 dargestellt, kann als Einspritzeinrichtung 2 ein Mehrlochinjektor vorgesehen sein, wobei der Zündort 6 innerhalb eines die Einzelstrahlen 5' des Injektors einhüllenden Strahlkegels 4' angeordnet ist. Die Fokuslänge L beträgt beispielsweise 6 mm bis 14 mm.As shown in FIG. 2, a multi-hole injector can be provided as the injection device 2, the ignition location 6 being arranged within a jet cone 4 'enveloping the individual jets 5' of the injector. The focus length L is, for example, 6 mm to 14 mm.
Wie anhand der Fig. 3 bis Fig. 5 dargestellt, sind unterschiedliche relative Anordnungen der Laserzündeinrichtung 2 in Bezug auf die Einspritzeinrichtung 1 denkbar. Die Kolbenoberfläche 9 des Kolbens 11 kann dabei derart ausgestaltet sein, dass die Tumble- und/oder eine Drallströmung unterstützt wird, die kraftstoffarmes bzw. kraftstofffreies Zylindergas an das Eintrittsfenster 7 der Laserzündeinrichtung 2 heranführt.As shown in FIGS. 3 to 5, different relative arrangements of the laser ignition device 2 with respect to the injection device 1 are conceivable. The piston surface 9 of the piston 11 can be designed in such a way that the tumble and / or a swirl flow is supported, which brings low-fuel or fuel-free cylinder gas to the inlet window 7 of the laser ignition device 2.
Fig. 3 zeigt in einer Queranordnung (die Achse 2' der Laserzündeinrichtung 2 liegt in einer Querebene zur Motorlängsachse) die Etablierung einer Tumbleströ- mung 12. Die Tumbleströmung kann in bekannter Weise durch einen entsprechenden Kanalverlauf und Kanalform des Einlasskanals 13 oder durch Einbauten im Einlasskanal (z.B. Tumbleklappen) erzeugt werden.3 shows the establishment of a tumble flow 12 in a transverse arrangement (the axis 2 'of the laser ignition device 2 lies in a transverse plane to the longitudinal axis of the engine). The tumble flow can be done in a known manner by a corresponding channel shape and channel shape of the inlet channel 13 or by installations in the inlet channel (eg tumble flaps) are generated.
Fig. 4 zeigt die Ausbildung einer Drall/Tumbleströmung 15 in einer Queranordnung, welche im oberen Totpunkt von einer Quetschströmung 16 überlagert wird. Die Drallströmung wird in bekannter Weise durch die Kanalform, z.B. Spiralkanal, durch die Kanalanordnung, z.B. Tangentialkanal oder durch Drosselung eines der Einlasskanäle 13 erzielt. Die Quetschströmung 16 wird durch ein Zusammenspiel von Kolben- und Zylinderkopfgeometrie im oberen Totpunkt erzeugt. Durch beide Maßnahmen wird fettes Gemisch vom Eintrittsfenster 7 ferngehalten und relativ kühleres, kraftstoffarmes oder kraftstofffreies Zylindergas herangeführt.FIG. 4 shows the formation of a swirl / tumble flow 15 in a transverse arrangement, which is overlaid by a squeeze flow 16 at top dead center. The swirl flow is known in a known manner by the channel shape, e.g. Spiral channel, through the channel arrangement, e.g. Tangential channel or achieved by throttling one of the inlet channels 13. The squeezing flow 16 is generated by an interaction of piston and cylinder head geometry at top dead center. Both measures keep the rich mixture away from the inlet window 7 and introduce relatively cooler, low-fuel or fuel-free cylinder gas.
Fig. 5 zeigt eine Drall/Tumbleströmung 15 unterstützt durch eine Quetschströmung 16 in einer Längsanordnung, bei welcher die Achse 2' der Laserzündeinrichtung 2 in einer durch die Zylinderachsen 10' aufgespannten Längsebene liegt. In strichlierter Darstellung sind - gesehen von der Auslasskanalseite - die beiden Einlasskanäle, der Spiralkanal 13 und der Tangentialkanal 13' dargestellt, wobei der Tangentialkanal 13' zur Drallerzeugung eine Drallklappe aufweist.FIG. 5 shows a swirl / tumble flow 15 supported by a squeeze flow 16 in a longitudinal arrangement, in which the axis 2 'of the laser ignition device 2 lies in a longitudinal plane spanned by the cylinder axes 10'. The two inlet channels, the spiral channel 13 and the tangential channel 13 'are shown in dashed lines - seen from the outlet channel side, the tangential channel 13' having a swirl flap for generating swirl.
Wie in den Fig. 6 bis Fig. 8 dargestellt, sind die Einspritzeinrichtung 101 und die Zündeinrichtung 102 in einem nicht weiter dargestellten Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnet und münden in einen Brennraum ein. Mit Bezugszeichen 103 ist der Strahlkegel des Einspritzstrahles 104 der Einspritzeinrichtung 101 bezeichnet. Der Zündort 105 ist außerhalb des Strahlkegels 103 des Einspritzstrahles 104 angeordnet. Die Zündeinrichtung 102 weist ein im Ausfüh- rungsbeispiel durch eine Massenelektrode 106 gebildetes Umlenkelement 107 mit einer in den Strahlkegel 103 in einem Ausmaß a von mindestens 1 mm hineinragende Umlenkfläche 108 auf. Die Umlenkfläche 108 weist eine in Richtung des umgelenkten Kraftstoff strahl es gemessene Tiefe t von mindestens 2 mm auf. Die Breite b des Umlenkelementes beträgt mindestens 3 mm.As shown in FIGS. 6 to 8, the injection device 101 and the ignition device 102 are arranged in a cylinder head, not shown, of an internal combustion engine and open into a combustion chamber. The jet cone of the injection jet 104 of the injection device 101 is designated by reference symbol 103. The ignition location 105 is arranged outside the jet cone 103 of the injection jet 104. The ignition device 102 has a Example of a deflecting element 107 formed by a mass electrode 106 with a deflecting surface 108 protruding into the beam cone 103 by a dimension a of at least 1 mm. The deflection surface 108 has a depth t of at least 2 mm measured in the direction of the deflected fuel jet. The width b of the deflection element is at least 3 mm.
Im eingebauten Zustand befindet sich die Umlenkfläche etwa normal im Bezug auf den auftreffenden Kraftstoffstrahl, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Der Winkel α zwischen der Umlenkfläche 108 und der Zündkerzenachse 102a beträgt vorteilhafterweise zwischen 0° und 60°, im Ausführungsbeispiel etwa 30°. Im Ausführungsbeispiel ist die Umlenkfläche 108 eben ausgebildet. Genau so ist aber auch eine von einer Ebene abweichende strömungsangepasste Form möglich.In the installed state, the deflection surface is approximately normal with respect to the impinging fuel jet, as can be seen from FIG. 6. The angle α between the deflection surface 108 and the spark plug axis 102a is advantageously between 0 ° and 60 °, in the exemplary embodiment approximately 30 °. In the exemplary embodiment, the deflection surface 108 is flat. In the same way, however, a flow-adapted shape deviating from a plane is also possible.
Die Umlenkfläche 108 hat die Aufgabe, einen Teil des Einspritzstrahles 104 im Bereich der Erzeugenden des Strahlkegels 103 abzuzweigen und dem Zündort 105 der Zündeinrichtung 102 zuzuführen. Dies gewährleistet einerseits die Ausbildung eines zündfähigen Gemisches im Bereich des Zündortes 105 und verhindert andererseits die volle Benetzung der Elektroden und des Isolators der Zündeinrichtung 102. Zusätzlich zur Strömungsumlenkung kommt es durch die in den Brennraum hineinragenden heißen Umlenkflächen zu einer Verdampfungsunterstützung. The deflecting surface 108 has the task of branching off a part of the injection jet 104 in the region of the generatrix of the jet cone 103 and feeding it to the ignition point 105 of the ignition device 102. On the one hand, this ensures the formation of an ignitable mixture in the area of the ignition location 105 and, on the other hand, prevents the electrodes and the insulator of the ignition device 102 from being fully wetted. In addition to the flow deflection, the hot deflection surfaces projecting into the combustion chamber also support evaporation.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Otto-Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung, welche nach einem strahlgeführten Brennverfahren arbeitet, mit zumindest einem Ein- und einem Auslasskanal, einer Einspritzeinrichtung (1) und einer Laserzündeinrichtung (2) pro Zylinder (10), wobei der Laserstrahl der Laserzündeinrichtung (2) ein Eintrittsfenster (7) im Bereich der Einspritzeinrichtung (1) durchtritt und in einem Zündort (6) innerhalb des Strahlkegels (4, 4') des Einspritzstrahles (5) fokussiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (l1) der Einspritzeinrichtung (1) annähernd parallel zur Zylinderachse (10') ausgerichtet ist und einen Winkel ß von 0° bis 5° mit der Zylinderachse (10') einschließt, sowie dass der zumindest eine Einlasskanal (13, 13') im Hinblick auf dessen Verlauf, dessen Form und dessen Anordnung zur Einspritzeinrichtung (1) derart ausgeführt ist, dass sich eine Tumble- und/oder Drallströmung (12, 15) etabliert, die kraftstoffarmes oder kraftstofffreies Zylindergas an das Eintrittsfenster (7) der Laserzündeinrichtung (2) heranführt.1. Otto internal combustion engine with direct injection, which works according to a jet-guided combustion process, with at least one inlet and one outlet channel, one injection device (1) and one laser ignition device (2) per cylinder (10), the laser beam from the laser ignition device (2) Entry window (7) passes in the region of the injection device (1) and is focused in an ignition location (6) within the jet cone (4, 4 ') of the injection jet (5), characterized in that the axis (l 1 ) of the injection device (1 ) is aligned approximately parallel to the cylinder axis (10 ') and includes an angle β of 0 ° to 5 ° with the cylinder axis (10'), and that the at least one inlet channel (13, 13 ') with regard to its course, its shape and its arrangement for the injection device (1) is designed in such a way that a tumble and / or swirl flow (12, 15) is established, which supplies low-fuel or fuel-free cylinder gas to the inlet f window (7) of the laser ignition device (2).
2. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenoberfläche (9) im Zusammenspiel mit der Geometrie des Zylinderkopfes im oberen Totpunkt eine Quetschströmung (16) erzeugt, die kraftstoffarmes oder kraftstofffreies Zylindergas am Eintrittsfenster (7) der Laserzündeinrichtung (2) vorbeiführt.2. Otto internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the piston surface (9) in cooperation with the geometry of the cylinder head at top dead center generates a squeezing flow (16), the fuel-free or fuel-free cylinder gas at the inlet window (7) of the laser ignition device (2) passes.
3. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlachse (2') der Laserzündeinrichtung (2) mit der Achse (l1) der Einspritzeinrichtung (1) einen spitzen Winkel von 7° bis 22°, vorzugsweise von 9° bis 20°, einschließt.3. Otto engine according to claim 1 or 2, characterized in that the beam axis (2 ') of the laser ignition device (2) with the axis (l 1 ) of the injection device (1) an acute angle of 7 ° to 22 °, preferably of 9 ° to 20 °.
4. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündort (6) 1 mm bis 4 mm innerhalb des Strahlkegels (4, 4') des Einspritzstrahles (5) positioniert ist.4. Otto engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ignition location (6) 1 mm to 4 mm within the jet cone (4, 4 ') of the injection jet (5) is positioned.
5. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsort des Laserstrahles am Strahlkegel (4, 4') 10 mm bis 16 mm stromabwärts der Mündung (8) der Einspritzeinrichtung (1) angeordnet ist.5. Otto engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the entry point of the laser beam on the beam cone (4, 4 ') 10 mm to 16 mm downstream of the mouth (8) of the injection device (1) is arranged.
6. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenoberfläche (9) eine die Tumble- und/oder Drallströmung unterstützende Form aufweist.6. Otto internal combustion engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the piston surface (9) has a shape that supports the tumble and / or swirl flow.
7. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Einspritzeinrichtung (2) ein Mehrlochinjektor vor- gesehen ist, wobei der Zündort (6) innerhalb eines die Einzelstrahlen (5') des Injektors einhüllenden Strahlkegels (4') angeordnet ist.7. Otto internal combustion engine according to one of claims 1 to 6, characterized in that a multi-hole injector pre- as an injection device (2) is seen, the ignition location (6) being arranged within a beam cone (4 ') enveloping the individual jets (5') of the injector.
8. Otto-Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung in den Brennraum, welche nach einem strahlgeführten Brennverfahren arbeitet, mit zumindest einer Einspritzeinrichtung (101) und einer Zündeinrichtung (102) pro Zylinder, wobei der Zündort (105) der Zündeinrichtung (102) im Grenzbereich des Strahlkegels (103) des Einspritzstrahles (104) der Einspritzeinrichtung (101) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündort (105) der Zündeinrichtung (102) außerhalb des Strahlkegels (103) angeordnet ist und dass die Zündeinrichtung (102) eine in den Strahlkegel (103) des Einspritzstrahles (104) ragende Umlenkfläche (108) aufweist, um einen Teil des Einspritzstrahles (104) zum Zündort (105) zu leiten.8. Otto engine with direct injection into the combustion chamber, which works according to a jet-guided combustion process, with at least one injection device (101) and one ignition device (102) per cylinder, the ignition location (105) of the ignition device (102) in the boundary region of the jet cone (103) of the injection jet (104) of the injection device (101), characterized in that the ignition location (105) of the ignition device (102) is arranged outside the jet cone (103) and that the ignition device (102) is inserted into the jet cone ( 103) of the injection jet (104) projecting deflection surface (108) in order to guide a part of the injection jet (104) to the ignition location (105).
9. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkfläche (108) zumindest 1 mm, vorzugsweise zumindest 2,5 mm tief in den Strahlkegel (103) des Einspritzstrahles (104) hineinragt.9. Otto engine according to claim 8, characterized in that the deflecting surface (108) protrudes at least 1 mm, preferably at least 2.5 mm deep into the jet cone (103) of the injection jet (104).
10. Otto-Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkfläche (108) eine Tiefe (t) von mindestens 2,0 mm aufweist, wobei die Tiefe (t) in Umlenkrichtung des Teils des Einspritzstrahles (104) zum Zündort (105) gemessen ist.10. Otto internal combustion engine according to claim 8 or 9, characterized in that the deflection surface (108) has a depth (t) of at least 2.0 mm, the depth (t) in the deflection direction of the part of the injection jet (104) to the ignition point (105) is measured.
11. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkfläche (108) eine Breite (b) von mindestens 3 mm aufweist, wobei die Breite (b) quer zur Umlenkrichtung gemessen ist.11. Otto engine according to one of claims 8 to 10, characterized in that the deflection surface (108) has a width (b) of at least 3 mm, the width (b) being measured transversely to the deflection direction.
12. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkfläche (108) durch eine Elektrode der Zündeinrichtung (102) gebildet ist.12. Otto engine according to one of claims 8 to 11, characterized in that the deflecting surface (108) is formed by an electrode of the ignition device (102).
13. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkfläche (108) durch ein auf die Zündeinrichtung (102) aufsteckbares zündfunktionsunabhängiges Element gebildet ist.13. Otto engine according to one of claims 8 to 12, characterized in that the deflecting surface (108) is formed by an ignition function-independent element which can be plugged onto the ignition device (102).
14. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkfläche (108) im Wesentlichen eben ausgebildet ist und etwa normal zur Erzeugenden des Strahlkegels (103) des Einspritzstrahles (104) angeordnet ist.14. Otto internal combustion engine according to one of claims 8 to 13, characterized in that the deflecting surface (108) is substantially planar and is arranged approximately normal to the generatrix of the jet cone (103) of the injection jet (104).
15. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkfläche (108) gekrümmt, vorzugsweise kugelförmig ist. 15. Otto engine according to one of claims 8 to 14, characterized in that the deflecting surface (108) is curved, preferably spherical.
6. Otto-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkfläche (108) zur Achse (102a) der Zündeinrichtung (102) geneigt ausgebildet ist, wobei der Winkel (α) zwischen der Achse (102a) der Zündeinrichtung (102) und der Umlenkfläche (108) vorzugsweise maximal 30° beträgt. 6. Otto engine according to one of claims 8 to 15, characterized in that the deflecting surface (108) to the axis (102a) of the ignition device (102) is formed inclined, the angle (α) between the axis (102a) of the ignition device (102) and the deflecting surface (108) is preferably at most 30 °.
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