EP1007828B1

Ignition and combustion in an internal combustion engine

Abstract

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EP1007828B1, drawing sheet 1
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Expired 14 April 2018, 8.4 years ago.

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17 claims: 17 independent, 0 dependent

  1. 1
    Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung und Fremdzündung, wobei der Brennraum (1) durch einen Zylinderblock (2), einen Zylinderkopf (3) und einen Kolben (4) gebildet, in der Kolbenoberfläche (5) eine Mulde (6) ausgebildet und der Kraftstoff von einer Einspritzdüse (7) in Richtung der Mulde (6) einspritzbar und über eine Funkenzündeinrichtung (8) zündbar ist, und wobei die Mulde (6) im Kolben (4) derart positioniert und ausgebildet bzw. dimensioniert ist, daß die Funkenzündeinrichtung (8) oder ein Träger der Funkenzündeinrichtung (8) bereits vor Erreichen des Zündzeitpunkts zumindest mit ihrem freien Ende in die Mulde (6) mit geringem Spiel eintaucht und bei Erreichen des oberen Totpunkts des Kolbens (4) mit geringem Spiel in die Mulde (6) eingetaucht ist und dabei die Mulde (6) zumindest weitgehend ausfüllt, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenzündeinrichtung (8) oder der Träger der Funkenzündeinrichtung (8) und die Einspritzdüse (7) als voneinander unabhängige Bauteile ortsfest dem Zylinderblock (2) zugeordnet sind und daß die Einspritzdüse (7) derart angeordnet und ausgerichtet ist, dass die Einspritzstrahlachse (35) zu der Kolbenachse abgewinkelt ist. Internal combustion engine having direct fuel injection and externally supplied ignition, the combustion chamber (1) being formed by a cylinder block (2), a cylinder head (3) and a piston (4), a cavity (6) being formed in the piston surface (5) and the fuel being injectable by an injection nozzle (7) in the direction towards the cavity (6) and being ignitable by means of a spark ignition device (8), and the cavity (6) in the piston (4) being so positioned and constructed or dimensioned that the spark ignition device (8) or a carrier of the spark ignition device (8) dips with a small degree of play at least with its free end into the cavity (6) even before reaching the ignition point and, on reaching the top dead centre of the piston (4), is dipped with a small degree of play into the cavity (6) and, at the same time, fills the cavity (6) at least substantially, characterised in that the spark ignition device (8) or the carrier of the spark ignition device (8) and the injection nozzle (7) are associated with the cylinder block (2) in a stationary manner in the form of mutually independent components, and in that the injection nozzle (7) is so arranged and oriented that the injection jet axis (35) is angled relative to the piston axis. Moteur à combustion interne avec injection directe de carburant et allumage commandé, la chambre de combustion (1) étant formée par un bloc-cylindres (2), une tête de cylindre (3) et un piston (4), une cavité (6) étant formée dans la surface supérieure (5) du piston et le combustible pouvant être injecté par un injecteur (7) en direction de la cavité (6) et pouvant être allumé par un dispositif d'allumage commandé (8) et la cavité (6) étant positionnée dans le piston (4) et conformée ou respectivement dimensionnée de telle manière que le dispositif d'allumage commandé (8) ou un support du dispositif d'allumage commandé (8) plonge à faible jeu au moins par son extrémité libre dans la cavité (6) déjà avant l'instant d'allumage et étant plongé à faible jeu dans la cavité (6) lors de l'arrivée au point mort haut du piston (4) et remplissant de ce fait au moins largement la cavité (6), caractérisé par le fait que le dispositif d'allumage commandé (8) ou le support du dispositif d'allumage commandé (8) et l'injecteur (7) sont adjoints au bloc-cylindres en position fixe sous forme de composants indépendants l'un de l'autre et que l'injecteur (7) est disposé et orienté de telle manière que l'axe du jet d'injection (35) fait un angle par rapport à l'axe du piston.
  2. 2
    Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (6) im wesentlichen mittig im Kolben (4) ausgebildet ist. Internal combustion engine according to claim 1, characterised in that the cavity (6) is formed substantially centrally in the piston (4). Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité (6) est formée sensiblement centralement dans le piston (4).
  3. 3
    Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (6) und das freie Ende der Funkenzündeinrichtung (8) oder des Trägers der Funkenzündeinrichtung (8) in ihrer Form im wesentlichen aneinander angepaßt und im Längsschnitt rund, oval oder im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sind. Internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterised in that the cavity (6) and the free end of the spark ignition device (8) or of the carrier of the spark ignition device (8) are substantially matched to one another in terms of their shape and, in longitudinal section, are round, oval or substantially cylindrical. Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la cavité (6) et l'extrémité libre du dispositif d'allumage commandé (8) ou du support du dispositif d'allumage commandé (8) sont conformées sensiblement adaptées l'une à l'autre pour leur forme et, en coupe longitudinale, rondes, ovales ou sensiblement cylindriques.
  4. 4
    Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (6) zumindest mit einem definierten Abstand zum Muldenboden (14) allseitig geschlossen ist, wobei die Muldenwandung 14 (zur Kolbenoberfläche (5) hin - allseitig, bereichsweise oder zumindest an einer Stelle, vorzugsweise in Einspritzrichtung, - zumindest geringfügig abgeschrägt sein kann. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the cavity (6) is closed on all sides at least with a defined spacing from the cavity base (14), it being possible for the cavity wall (14) to be at least slightly inclined towards the piston surface (5) - on all sides, in regions or at least at one site, preferably in the direction of injection. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la cavité (6) est fermée de tous côtés au moins avec un écartement défini par rapport au fond (14) de la cavité, la paroi (14) de la cavité pouvant (en direction de la surface (5) du piston) - de tous côtés, par zones ou au moins à un endroit, de préférence en direction d'injection - être au moins légèrement chanfreinée.
  5. 5
    Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Muldenwandung (14) zur Kolbenoberfläche (5) hin gestuft ist, wobei die Mulde (6) über einen gegenüber dem Muldendurchmesser erweiterten Muldenbereich (31) zur Kolbenoberfläche (5) hin öffnet und wobei der erweiterte Muldenbereich (31) konzentrisch um die Mulde (6) herum ausgebildet ist. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the cavity wall (14) is stepped towards the piston surface (5), the cavity (6) opening towards the piston surface (5) by way of a cavity region (31) which is widened relative to the cavity diameter, and the widened cavity region (31) being formed concentrically around the cavity (6). Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la paroi (14) de la cavité est étagée en direction de la surface (5) du piston, la cavité (6) s'ouvrant, par une zone (31) élargie de la cavité par rapport au diamètre de la cavité, en direction de la surface (5) du piston et la zone (31) élargie de la cavité étant formée concentriquement tout autour de la cavité (6).
  6. 6
    Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Annäherung an den oberen Totpunkt des Kolbens (4) zwischen der Funkenzündeinrichtung (8) und dem Randbereich der Mulde (6) ein im wesentlichen ringförmiger bzw. ringscheibenförmiger Überströmkanal (30) entsteht und daß bei Annäherung an den oberen Totpunkt des Kolbens (4) zwischen dem Kolben (4) und einem die Funkenzündeinrichtung (8) umgebenden Teil des Zylinderkopfes (3) ein vorzugsweise ringförmiger bzw. ringscheibenförmiger Überströmkanal (30) entsteht. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, characterised in that, on approaching the top dead centre of the piston (4), a substantially annular or annular-disc-shaped overflow channel (30) is formed between the spark ignition device (8) and the edge region of the cavity (6), and in that, on approaching the top dead centre of the piston (4), a preferably annular or ring-target-shaped overflow channel (30) is formed between the piston (4) and a portion of the cylinder head (3) that surrounds the spark ignition device (8). Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un canal de débordement (30) sensiblement de forme annulaire ou respectivement en forme de disque annulaire se produit, lors de l'approche du point mort haut du piston (4), entre le dispositif d'allumage commandé (8) et la zone de bord de la cavité (6) et qu'un canal de débordement (30) de préférence sensiblement de forme annulaire ou respectivement en forme de disque annulaire se produit, lors de l'arrivée au point mort haut du piston (4), entre le piston (4) et une partie de la tête de cylindre (3) entourant le dispositif d'allumage commandé (8).
  7. 7
    Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Funkenzündeinrichtung (8) eine herkömmliche Zündkerze dient, wobei die von der oder den Elektroden (10) gebildete Zündstelle (20) nahezu vollständig in die Mulde (6) eintauchen kann. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6, characterised in that a conventional spark plug is used as the spark ignition device (8), the ignition site (20) formed by the electrode(s) (10) being able to dip almost completely into the cavity (6). Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une bougie d'allumage traditionnelle sert de dispositif d'allumage commandé (8), le point d'allumage (20) formé par la ou les électrodes (10) pouvant plonger approximativement complètement dans la cavité (6).
  8. 8
    Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenzündeinrichtung (8) im Bereich ihres freien Endes (9) als zumindest ganz überwiegend geschlossene Einheit ausgebildet ist, wobei als Funkenzündeinrichtung (8) eine Vorkammer-Zündkerze (17) dienen kann, wobei die Vorkammer-Zündkerze (17) vorzugsweise eine Mehrfach-Mittelelektrode (24) mit mehreren Zündfunkenstrecken (25) umfaßt, wobei in der Vorkammer (18) zwei einander gegenüberliegende Zündelektroden (10) angeordnet sein können und wobei die Zündelektrode (10) bzw. Zündelektroden am freien Ende verjüngt sind. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the spark ignition device (8) is in the form of an at least very substantially closed unit in the region of its free end (9), it being possible to use a pre-chamber spark plug (17) as the spark ignition device (8), the pre-chamber spark plug (17) preferably comprising a central polyelectrode (24) with several spark gaps (25), it being possible for two mutually opposite ignition electrodes (10) to be arranged in the pre-chamber (18) and the ignition electrode(s) (10) being tapered at the free end. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'allumage commandé (8) est conformé, dans la zone de son extrémité (9) libre, en tant qu'unité au moins très principalement fermée, une bougie d'allumage (17) de chambre de précombustion pouvant servir de dispositif d'allumage commandé (8), la bougie d'allumage (17) de chambre de précombustion comprenant de préférence une électrode centrale multiple (24) à plusieurs segments d'étincelles d'allumage (25), deux électrodes d'allumage (10) opposées l'une à l'autre pouvant être disposées dans la chambre de précombustion (18) et l'électrode d'allumage (10) ou respectivement les électrodes d'allumage étant coniques à l'extrémité libre.
  9. 9
    Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zündstelle (20) umfassende Vorkammer (18) zumindest teilweise in die Mulde (6) eintaucht, wobei die Vorkammer (18) mit Spiel der Mulde (6) bzw. der Muldenwandung (14) angepaßt, die Vorkammer (18) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und einen im wesentlichen zylindrischen Inneraum aufweist. Internal combustion engine according to claim 8, characterised in that the pre-chamber (18) comprising the ignition site (20) dips at least partially into the cavity (6), the pre-chamber (18) fitting, with play, into the cavity (6) or into the cavity wall (14), the pre-chamber (18) being substantially cylindrical and having a substantially cylindrical inner space. Moteur à combustion interne selon la revendication 8, caractérisé en ce que la chambre de précombustion (18) entourant le point d'allumage (20) plonge au moins partiellement dans la cavité (6), la chambre de précombustion (18) étant formée adaptée avec jeu à la cavité (6) ou respectivement la paroi (14) de la cavité, la chambre de précombustion (18) étant formée sensiblement cylindrique et présentant un volume intérieur sensiblement cylindrique.
  10. 10
    Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise im mittleren Bereich des in den Brennraum (1) hineinragenden Teils der Vorkammer-Zündkerze (17) radial und/oder tangential aus der Vorkammer (18) in den Brennraum (1) führende Überströmkanäle (19) ausgebildet sind, wobei im freien Ende des in den Brennraum (1) hineinragenden Teils der Vorkammer-Zündkerze (17) ein sich etwa mittig in die Vorkammer (18) erstreckender Überströmkanal (27) ausgebildet ist und vorzugsweise mehrere mit den übrigen Überströmkanälen (21, 23) und/oder unmittelbar mit der Vorkammer (18) verbundene Überströmkanäle (21, 23) ausgebildet sind. Internal combustion engine according to claim 8 or 9, characterised in that overflow channels (19) leading radially and/or tangentially out of the pre-chamber (18) and into the combustion chamber (1) are formed preferably in the central region of the portion of the pre-chamber spark plug (17) that projects into the combustion chamber (1), an overflow channel (27) which extends approximately centrally into the pre-chamber (18) being formed in the free end of the portion of the pre-chamber spark plug (17) that projects into the combustion chamber (1), and preferably several overflow channels (21, 23) which are connected to the other overflow channels (21, 23) and/or directly to the pre-chamber (18) being formed. Moteur à combustion interne selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que des canaux de débordement (19) conduisant radialement et/ou tangentiellement hors de la chambre de précombustion (18) dans la chambre de combustion (1) sont formés de préférence dans la zone médiane de la partie en saillie dans la chambre de combustion (1) de la bougie d'allumage (17) de la chambre de précombustion, un canal de débordement (27) s'étendant à peu près centralement dans la chambre de précombustion (18) étant formé dans l'extrémité libre de la partie en saillie dans la chambre de combustion (1) de la bougie d'allumage (17) de la chambre de précombustion et de préférence plusieurs canaux de débordement (21, 23) reliés aux canaux de débordement (21, 23) restants et/ou directement à la chambre de précombustion (18).
  11. 11
    Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei in die Mulde (6) eingetauchter Vorkammer-Zündkerze (17) zumindest ein sich in die Vorkammer (18) erstreckender Überströmkanal (23) in den oberen Randbereich der Mulde (6) mündet. Internal combustion engine according to claim 10, characterised in that, when the pre-chamber spark plug (17) is dipped into the cavity (6), at least one overflow channel (23) extending into the pre-chamber (18) opens out in the upper edge region of the cavity (6). Moteur à combustion interne selon la revendication 10, caractérisé en ce que, dans le cas d'une bougie d'allumage (17) de chambre de précombustion plongée dans la cavité (6), au moins un canal de débordement (23) s'étendant dans la chambre de précombustion (18) débouche dans la zone de bord supérieur de la cavité (6).
  12. 12
    Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei in die Mulde (6) eingetauchter Vorkammer-Zündkerze (17) zumindest ein sich in die Vorkammer (18) erstreckender Überströmkanal (23) außerhalb der Mulde (6) mündet. Internal combustion engine according to claim 10 or 11, characterised in that, when the pre-chamber spark plug (17) is dipped into the cavity (6), at least one overflow channel (23) extending into the pre-chamber (18) opens out outside the cavity (6). Moteur à combustion interne selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que, dans le cas d'une bougie d'allumage (17) de chambre de précombustion plongée dans la cavité (6), au moins un canal de débordement (23) s'étendant dans la chambre de précombustion (18) débouche en dehors de la cavité (6).
  13. 13
    Brennkraftmaschine nach einem-der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Außenwandung des in die Mulde (6) eintauchenden Bereichs der Vorkammer-Zündkerze (17) sich vom freien Ende in den Bereich der Überströmkanäle (23) erstreckende Nuten (28) ausgebildet sind. Internal combustion engine according to any one of claims 10 to 12, characterised in that grooves (28) extending from the free end into the region of the overflow channels (23) are formed in the outer wall of the region of the pre-chamber spark plug (17) that dips into the cavity (6). Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que des rainures (28) sont formées, dans la paroi extérieure de la zone de la bougie d'allumage (17) plongeant dans la cavité (6), s'étendant depuis l'extrémité libre dans la zone des canaux de débordement (23).
  14. 14
    Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (7) derart angeordnet und ausgerichtet ist, daß sich im Verlauf der Kolbenbewegung zumindest kuzzeitig eine in die Mulde (6) gerichtete Einspritzstrahlachse (35) ergibt. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 13, characterised in that the injection nozzle (7) is so arranged and oriented that an injection jet axis (35) directed into the cavity (6) results at least briefly in the course of the piston movement. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'injecteur (7) est disposé et orienté de telle manière qu'un axe (35) de jet d'injection orienté dans la cavité (6) se produit au moins temporairement au cours du déplacement du piston.
  15. 15
    Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse derart angeordnet und ausgerichtet ist, daß im Verlauf der Kolbenbewegung sich zumindest kuzzeitig die Projektion des Einspritzstrahlkegels auf den Kolben (4) und die Mulde (6) zumindest teilweise überdecken. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 14, characterised in that the injection nozzle is so arranged and oriented that in the course of the piston movement, at least briefly, the projection of the injection jet cone onto the piston (4) and the cavity (6) overlap at least partially. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que l'injecteur est disposé et orienté de telle manière que les projections du cône du jet d'injection sur le piston (4) et la cavité (6) se superposent au moins partiellement au moins temporairement au cours du déplacement du piston.
  16. 16
    Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Funkenzündeinrichtung (8) und die Einspritzudüse (7) eine bauliche Einheit bilden, wobei die Einspritzdüse (7) integraler Bestandteil einer Elektrode, vorzugsweise der Mittelelektrode, ist. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 15, characterised in that the spark ignition device (8) and the injection nozzle (7) form a structural unit, the injection nozzle (7) being an integral part of an electrode, preferably the central electrode. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le dispositif d'allumage commandé (8) et la buse d'injection (7) forment une unité constructive, la buse d'injection (7) étant partie intégrante d'une électrode, de préférence de l'électrode centrale.
  17. 17
    Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (6) mit einem hochwarmfesten Material, vorzugsweise in Form einer eingepaßten Hülse, ausgekleidet ist. Internal combustion engine according to any one of claims 1 to 16, characterised in that the cavity (6) is lined with a highly heat-resistant material, preferably in the form of a fitted sleeve. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la cavité (6) est revêtue d'un matériau à haute résistance à chaud, de préférence sous forme d'une douille emboîtée.
Independent claims17