DE102017009235A1

DE102017009235A1 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017009235A1
Application number: DE102017009235.4A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Bertsch
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2019-04-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einen Zylinder (16) zum Aufnehmen eines Kolbens (14) und wenigstens eine einen Brennraum (12) des Zylinders (16) zugeordnete Vorkammerzündkerze (20), welche eine über mehrere Öffnungen (36, 38) fluidisch mit dem Brennraum (12) verbundene Vorkammer (34) aufweist, bei welchem mittels der Vorkammerzündkerze (20) zu einem Zündzeitpunkt zumindest ein Zündfunke in der Vorkammer (34) erzeugt wird, wobei während eines Ansaugtakts der Verbrennungskraftmaschine (10) mittels eines dem Brennraum (12) zugeordneten Injektors (22) Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) kennfeldbasiert direkt in den Brennraum (12) eingespritzt wird, sodass bereits während des Ansaugtakts infolge eines aus dem Einspritzen resultierenden Impulses und infolge einer Strömung (28) im Brennraum (12) ein zumindest zum Zündzeitpunkt zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum (12) über die Öffnungen (36, 38) in die Vorkammer (34) gespült wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug ist beispielsweise bereits der DE 10 2010 010 109 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei wenigstens einen Zylinder zum Aufnehmen eines Kolbens und wenigstens eine einem Brennraum im Zylinder zugeordnete Vorkammerzündkerze auf, welche eine über mehrere, insbesondere als Durchgangsöffnungen, ausgebildete Öffnungen fluidisch mit dem Brennraum verbundene Vorkammer umfasst. Bei dem Verfahren wird mittels der Vorkammerzündkerze zu einem Zündzeitpunkt zumindest ein Zündfunke in der Vorkammer erzeugt. Durch den Zündfunken soll ein im Brennraum aufgenommenes Gemisch, welches zumindest Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine und Luft umfasst, gezündet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb der vorzugsweise als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass während eines Ansaugtakts der Verbrennungskraftmaschine mittels eines einem Brennraum zugeordneten Injektors Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine kennfeldbasiert direkt in den Brennraum eingespritzt wird, sodass bereits während des auch als Ansaugphase bezeichneten Ansaugtakts infolge eines aus dem Einspritzen resultierenden und auch als Einspritz- oder Kraftstoffimpuls bezeichneten Impulses und infolge einer Strömung, insbesondere von Luft, im Brennraum ein zumindest zum Zündzeitpunkt zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum über Öffnungen in eine Vorkammer einer Vorkammerzündkerze gespült wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch umfasst zumindest Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine und Luft. Da bereits während des Ansaugtakts das Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Vorkammer gespült wird, können besonders vorteilhafte und im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren verbesserte Entflammungsbedingungen, insbesondere in der Vorkammer, gewährleistet werden, sodass zu dem Zündzeitpunkt das in der Vorkammer aufgenommene Kraftstoff-Luft-Gemisch sicher entzündet werden kann. In der Folge kann ein zumindest Kraftstoff und Luft umfassendes Gemisch im Brennraum insgesamt sicher gezündet werden, sodass ein besonders vorteilhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in zumindest nahezu allen Kennfeldbereichen und/oder bei zumindest nahezu allen Betriebsarten, gewährleistet werden kann.
Durch das Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Zündzeitpunkt in der Vorkammer entstehen beispielsweise brennende Fackeln, welche über die Öffnungen aus der Vorkammer aus- und in den Brennraum im Zylinder der Verbrennungskraftmaschine einströmen. Durch die brennenden Fackeln wird das Gemisch im Brennraum insgesamt gezündet und in der Folge verbrannt, sodass ein vorteilhaftes Durchbrennen des Gemisches im Brennraum gewährleistet werden kann.
Die Vorkammer ist ein zumindest nahezu geschlossener Raum, welcher beispielsweise durch Wandungsbereiche der Vorkammerzündkerze gebildet beziehungsweise begrenzt ist. Die Wandungsbereiche begrenzen dabei die als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Öffnungen beziehungsweise die Öffnungen sind in den Wandungsbereichen ausgebildet. Die Wandungsbereiche weisen beispielsweise in Summe eine erste Gesamtfläche auf, wobei beispielsweise die Öffnungen in Summe eine zweite Gesamtfläche aufweisen. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die erste Gesamtfläche größer als die zweite Gesamtfläche ist, wodurch beispielsweise wenigstens eine in der Vorkammer aufgenommene und beispielsweise zumindest zum Teil aus Keramik gebildeten Isolator einer Elektrode der Vorkammerzündkerze vor Keramikbrüchen infolge von Druckwellen im Brennraum zu schützen. Derartige Druckwellen können üblicherweise durch Vorentflammungen im Brennraum bewirkt werden und bei Standard-Zündkerzen ohne Vorkammer den Isolator der Standard-Zündkerze zumindest nahezu ungebremst erreichen und in der Folge brechen. Dies kann bei der Vorkammer-Zündkerze vermieden werden.
Für die Anwendung einer solchen Vorkammer-Zündkerze in einer beispielsweise als Ottomotor beziehungsweise Benzinmotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine hat sich jedoch eine spezielle Auslegung der Vorkammerzündkerze, insbesondere hinsichtlich ihrer Lochgeometrie, als vorteilhaft erwiesen, um eine gewünschte Funktion der Vorkammerzündkerze im gesamten Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine zu gewährleisten. Dabei ist es einerseits vorteilhaft, dass durch die auch als Löcher bezeichneten Öffnungen der Vorkammer während der Ansaugphase bereits in der Vorkammer befindliches Abgas zumindest teilweise ausgespült wird und andererseits weiterhin vorteilhaft, dass durch die auch als Löcher bezeichneten Öffnungen der Vorkammer für die Darstellung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches, insbesondere in einem Funkenbereich, vor allem bei niedrigen Motorlasten Kraftstoff gespült wird, insbesondere in einer hinreichenden Menge, sodass zum Zündzeitpunkt ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer aufgenommen ist. Hierzu ist es vorteilhaft, den Injektor, insbesondere dessen Auslegung, sowie eine Strategie zum direkten Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum entsprechend kennfeldbasiert, insbesondere kennfeldgesteuert, durchzuführen.
Die Idee der Erfindung ist es, insbesondere bei niedrigen Lasten und/oder bei Abmagerung und/oder bei hohen Restgasgehalten mithilfe der genannten, auch als Einspritzstrategie bezeichneten, Strategie und mithilfe einer entsprechenden Auslegung des Injektors, insbesondere seiner Lochgeometrie, Kraftstoff bereits während des auch als Ansaugphase bezeichneten Ansaugtakts derart in den Brennraum einzubringen, dass infolge des Einspritzimpulses und der im Brennraum befindlichen Strömung der in den Brennraum direkt eingespritzte beziehungsweise eingebrachte Kraftstoff beziehungsweise das aus dem direkten Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum resultierendes Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum in die Vorkammer zu spülen, um in der Vorkammerzündkerze, insbesondere in der Vorkammer, ein zündfähiges und somit brennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen. Um dies zu realisieren, wird beispielsweise ein fettes Gemisch in der Vorkammer erzeugt, um eine verbesserte beziehungsweise stabile Entflammung zu gewährleisten.
Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise bei Betriebsarten mit geringer Füllung beziehungsweise geringem Druck im Brennraum vorteilhafte Entflammungsbedingungen gewährleistet werden, insbesondere bei niedriger Last durch Androsselung und/oder oder durch einen kleinen Nockenhub. Auch bei Betriebsart mit geringer Ladungsbewegung, insbesondere bei geringer Drehzahl beziehungsweise geringem Nockenhub, können ebenso Entflammungsbedingungen vorteilhaft gestaltet werden, wie bei Betriebsarten mit hoher Abgasrückführrate und/oder bei hoher Ladungsverdünnung und Ladungsschichtung, beispielsweise bei einem Verbrennungsluftverhältnis in einem Bereich von 1,0 bis 2,2. Besonders vorteilhafte Entflammungsbedingungen lassen sich realisieren, indem der Injektor beispielsweise als Piezo-A-Düse oder Mehrlochdüse mit variabler Lochgeometrie und/oder variablem Druck ausgebildet ist. Außerdem lassen sich bei Betriebsarten wie einem Katheizbetrieb oder Kaltstart beziehungsweise Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine vorteilhafte Entflammungsbedingungen gewährleisten.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform für ein Kraftfahrzeug;
2 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht der Verbrennungskraftmaschine gemäß der ersten Ausführungsform; und
3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnete und vorzugsweise als Ottomotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist als Hubkolbenmaschine ausgebildet und weist wenigstens einen Brennraum 12 in einem Zylinder 16 auf. Außerdem weist die Verbrennungskraftmaschine 10 einen dem Zylinder 16 zugeordneten Kolben 14 auf, welcher translatorisch bewegbar im Zylinder 16 aufgenommen ist. Der Brennraum 12 wird im Zylinder 16 vom Kolben 14 und einen den Zylinder verschließenden Zylinderkopf 11 eingeschlossen. Der Zylinder 16 ist zumindest teilweise durch ein beispielsweise als Zylindergehäuse, insbesondere als Zylinderkurbelgehäuse, ausgebildetes nicht näher dargestelltes Motorgehäuse der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet. Der Kolben 14 kann sich im Zylinder 12 relativ zu dem Motorgehäuse zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist als 4-Takt-Motor ausgebildet, sodass genau ein Arbeitsspiel der Verbrennungskraftmaschine 10 genau vier Takte umfasst. Genau ein Arbeitsspiel der Verbrennungskraftmaschine 10 erstreckt sich dabei über 720 Grad Kurbelwinkel einer als Kurbelwelle ausgebildeten Abtriebswelle, welche über ein in den Fig. nicht dargestelltes Pleuel gelenkig mit dem Kolben 14 verbunden ist. Durch diese gelenkige Kopplung können die translatorischen Bewegungen des Kolbens 14 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt werden. Dabei umfasst das Arbeitsspiel genau zwei vollständige Umdrehungen und somit 720 Grad Kurbelwinkel der Kurbelwelle.
Ein erster der Takte ist beispielsweise ein auch als Ansaugphase bezeichneter Ansaugstakt, in dessen Rahmen sich der Kolben 14 aus seinem oberen Totpunkt in seinen unteren Totpunkt bewegt und dabei beispielsweise zumindest Luft über wenigstens einen dem Zylinder 16 zugeordneten Einlasskanal 18 im Zylinderkopf 11 in den Brennraum 12 einsaugt. Ein zweiter der Takte ist ein sich an den Ansaugtakt anschließender und auch als Kompressionsphase bezeichneter Verdichtungstakt, in dessen Rahmen sich der Kolben 14 aus seinem unteren Totpunkt in seinen oberen Totpunkt bewegt und dabei die zuvor in den Brennraum 12 eingesaugte Luft verdichtet beziehungsweise komprimiert.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist ferner eine dem Zylinder 16 zugeordnete Vorkammerzündkerze 20 auf, mittels welcher zu einem Zündzeitpunkt wenigstens ein Zündfunke erzeugbar ist beziehungsweise erzeugt wird. Mittels des Zündfunkens wird ein im Zylinder 16 aufgenommenes Gemisch, welches die angesaugte Luft und einen insbesondere flüssigen Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst, gezündet und in der Folge verbrannt. Der Kraftstoff wird beispielsweise mittels eines dem Zylinder 16 zugeordneten Injektors 22 der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere direkt, in den Brennraum 12 des Zylinders 16 eingespritzt, insbesondere unter Ausbildung eines sogenannten Sprays 24. Dies bedeutet, dass das auch als Kraftstoffspray bezeichnete Spray 24 durch den Kraftstoff gebildet ist, welcher mittels des Injektors 22 direkt in den Brennraum 12 eingespritzt wird.
Durch die Zündung und die daraus resultierende Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 12 dehnt sich das Gemisch aus, wodurch der Kolben 14 im Rahmen eines dritten der Takte aus seinem oberen Totpunkt in seinen unteren Totpunkt bewegt und dabei angetrieben wird. In der Folge wird die Kurbelwelle angetrieben. Der dritte Takt wird auch als Arbeitszeittakt bezeichnet. Der sich an den Arbeitstakt anschließende vierte Takt wird auch als Ausstoßtakt bezeichnet, in dessen Rahmen Abgas, welches aus der Verbrennung des Gemisches resultiert, mittels des Kolbens 14 über einen Auslasskanal 26 aus dem Brennraum 12 ausgeschoben wird.
In 1 veranschaulicht ein Pfeil 28 eine Ladungsbewegung und somit beispielsweise eine Strömung der in den Brennraum 12 einströmenden Luft. Dem Einlasskanal 18 ist ein Einlassventil 30 zugeordnet, welches zwischen wenigstens einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung, insbesondere translatorisch, relativ zum Zylinderkopf 11 bewegbar ist. Ferner ist dem Auslasskanal 26 ein Auslassventil 32 zugeordnet, welches ebenfalls zwischen wenigstens einer Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung relativ zum Zylinderkopf 11 translatorisch bewegbar ist. Dabei zeigt 1 den Ansaugtakt, in dessen Rahmen sich der Kolben 14 nach unten bewegt. Insbesondere veranschaulicht dabei der Pfeil 28 die globale Ladungsbewegung im Brennraum 12, wobei eine tumbleförmige Ladungsbewegung vorgesehen ist. Dabei ist das Einlassventil 30 geöffnet und gibt den Einlasskanal 18 frei, während das Auslassventil 32 geschlossen ist und den Auslasskanal 26 versperrt.
Besonders gut in Zusammenschau mit 2 ist erkennbar, dass die Vorkammerzündkerze 20 eine Vorkammer 34 aufweist, welche über Öffnungen 36 und 38 fluidisch mit dem Brennraum 12 verbunden ist. Die Vorkammer 34 ist dabei durch jeweilige Wandungsbereiche 40 der Vorkammerzündkerze 20 begrenzt beziehungsweise gebildet, wobei die als Durchgangsöffnungen ausgebildeten Öffnungen 36 und 38 in den Wandungsbereichen 40 ausgebildet sind. In der Vorkammer 34 ist beispielsweise wenigstens eine in den Fig. nicht erkennbare und beispielsweise zumindest teilweise in einem Isolator eingebettete Elektrode angeordnet, wobei der Isolator aus Keramik bestehen kann und Bestandteil der Vorkammerzündkerze 20 ist. Mittels der Elektrode wird zu dem Zündzeitpunkt der wenigstens ein Zündfunke erzeugt.
Um nun das Gemisch im Brennraum 12 besonders sicher im gesamten Kennfeld sowie bei allen Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine zünden und somit einen besonders vorteilhaften Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können, erfolgt bereits beim Ansaugtakt des Zylinders 12 beziehungsweise des Kolbens 14 eine Spülung der Vorkammer 34 mit zumindest den Kraftstoff und die Luft umfassendem Frischgas, sodass zum Zündzeitpunkt ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer 34 aufgenommen ist.
Aus 1 und 2 ist besonders gut erkennbar, dass die Öffnung 38 als Zentralöffnung ausgebildet ist, während die Öffnungen 36 als Nebenöffnungen ausgebildet sind. Die Nebenöffnungen werden auch als Radialöffnungen oder Radialbohrungen bezeichnet, wobei die Öffnung 38 auch als Zentralbohrung bezeichnet wird. Beispielsweise werden die Öffnungen 36 und 38 auch als Bohrungen bezeichnet. Zumindest die Nebenöffnungen sind bezüglich einer insbesondere als Längsmittelachse der Vorkammerzündkerze 20 ausgebildeten Längsachse 42 der Vorkammerzündkerze 20 symmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch, angeordnet beziehungsweise ausgestaltet, wobei die einzelnen Bohrungen tangential sowohl in Umfangsrichtung als auch in Richtung der Längsachse geneigt sind, wobei sich die Nebenöffnungen in Umfangsrichtung der Vorkammerzündkerze 20 um die Zentralöffnung herum verteilt, insbesondere gleichmäßig verteilt, angeordnet sind.
Aus 2 ist anhand einer der Nebenöffnungen erkennbar, dass die jeweilige Öffnung 36 beziehungsweise 38 eine in 2 durch einen Doppelpfeil 44 veranschaulichte Durchgangsrichtung aufweist, entlang welcher beispielsweise das Frischgas aus dem Brennraum 12 durch die jeweilige Öffnung 36 beziehungsweise 38 hindurch in die Vorkammer 34 strömen kann. Dabei verlaufen die Durchgangsrichtungen der Nebenöffnungen schräg zur Längsachse 42 und schräg zur Durchgangsrichtung der Öffnung 38, wobei die Durchgangsrichtung der Öffnung 38 schräg zur Längsachse 42 verläuft. Die Öffnung 38 ist somit als schräge zentrale Bohrung ausgebildet, welche vorzugsweise in Richtung des Injektors 22 beziehungsweise des Sprays 24 ausgerichtet und somit drehlagenorientiert ist. Mit anderen Worten ist die Zentralöffnung brennraumseitig in Richtung des Sprays 24 beziehungsweise in Richtung des Injektors 22 geneigt, sodass die Zentralöffnung auf Seiten des Brennraums 12 näher an dem Injektor 22 beziehungsweise an dem Spray 24 angeordnet ist als auf Seiten der Vorkammer 34. Insbesondere ist es denkbar, dass die jeweilige Öffnung 36 und die Zentralöffnung gleiche Durchmesser, insbesondere Innendurchmesser, aufweisen.
Die Vorkammerzündkerze 20 ist, insbesondere hinsichtlich ihrer Lochgeometrie, vorzugsweise derart ausgestaltet, dass eine hinreichende Anzahl an Nebenöffnungen vorgesehen ist, um eine Drehlagenunabhängigkeit im Brennraum 12 zu erreichen. Dies ist vorteilhaft für eine Serienanwendung aufgrund von Einbautoleranzen. Die Zentralöffnung dient einem vorteilhaften Gasaustausch zwischen dem Zylinder 12 und der Vorkammer 34. Jeweilige Größen, Durchmesser beziehungsweise von dem Frischgas durchströmbare Strömungsquerschnitte der Öffnungen 36 und 38 werden beispielsweise so gewählt, dass einerseits eine hinreichende Abschirmung der Vorkammer 34 und damit eines Isolators der Elektrode der Vorkammerzündkerze 20 vor Druckwellen aus dem Brennraum 12 gewährleistet und andererseits eine hinreichende Spülung der Vorkammer 34 mit dem Frischgas sichergestellt ist. Sind die Öffnungen 36 und 38 zu groß, ist eine Flammenausbreitung aus der Vorkammer 34 in den Brennraum 12 verschlechtert, und Druckwellen könnten eher in die Vorkammer 34 eindringen. Sind die Öffnungen 36 und 38 zu klein, nimmt die Spülung der Vorkammer 34 und damit die Laufgrenze in Richtung kleiner Lasten und die Magerlaufgrenze ab. Oberhalb der Vorkammer 34 ist die Vorkammerzündkerze 20 beispielsweise wie eine Standard-Zündkerze ohne Vorkammer ausgestaltet.
Vorzugsweise ist die Vorkammerzündkerze 20 so weit wie möglich am Rand 46 des Brennraums 12 angeordnet, um die Strömung im Brennraum 12 zumindest nahezu nicht zu stören und möglichst wenig Angriffsfläche für Spray beziehungsweise Ladungsbewegung zu bieten. Dabei ist insbesondere eine Überhitzung der Vorkammer 34 im Brennraum 12 bei hoher Last zu vermeiden, um Glühzündungen vermeiden zu können. Vor diesem Hintergrund soll das zunächst im Brennraum 12 befindliche Gemisch bereits in der Ansaugphase durch die Öffnungen 36 und 38 in die Vorkammer 34 strömen, um die Vorkammer 34, welche beispielsweise aufgrund des Ausschiebetakts beziehungsweise Ausstoßtakts mit Abgas gefüllt ist, bereits in der Ansaugphase mit Frischgas zu spülen und ein brennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Vorkammer 34 einzubringen. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Vorkammer 34 hinreichend weit in den Brennraum 12 hineinragt.
Ferner ist durch den Pfeil 28 beispielsweise eine Einlassströmung veranschaulicht, von welcher beispielsweise das in den Brennraum 12 eingebrachte Spray 24 derart mitgenommen wird, dass bereits in der Ansaugphase Frischgas beziehungsweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Vorkammer 34 strömt, insbesondere aus dem Brennraum 12 über die Öffnungen 36 und 38. Hierzu ist eine entsprechende Positionierung der Vorkammer 34 vorteilhaft.
Ferner ist es hierzu vorteilhaft, wenn die Radialöffnungen bzw. Nebenöffnungen hinreichend groß ausgestaltet sind und dabei beispielsweise einen Durchmesser, insbesondere einen Innendurchmesser, aufweisen, welcher in einem Bereich von einschließlich 0,7 Millimeter bis einschließlich 1,4 Millimeter liegt. Ferner ist eine hinreichend große Anzahl der Radiallöcher vorteilhaft, wobei die Anzahl an Radiallöchern vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich vier bis einschließlich 12 liegt. Mit anderen Worten sind vorzugsweise mindestens vier und insbesondere höchstens 12 Nebenöffnungen vorgesehen. Auch ein hinreichend großer Durchmesser, insbesondere Inndurchmesser, der Zentralöffnung ist vorteilhaft. Der Durchmesser der Zentralöffnung ist beispielsweise gleich groß oder größer als der Durchmesser der jeweiligen Nebenöffnung, wobei vorzugsweise der Durchmesser, insbesondere der Innendurchmesser, der Zentralöffnung in einem Bereich von einschließlich 0,8 Millimeter bis einschließlich 1,6 Millimeter liegt. Durch Strömungseffekte um die Vorkammer 34 und in der Vorkammer 34 selbst kann es zu einem Gasaustausch in der Ansaugphase des Arbeitsspiels kommen.
Vorzugsweise sind die Radialöffnungen so angestellt, dass durch eine tangentiale Strömung des Frischgases in die Vorkammer 34, insbesondere in deren Inneres, entsteht, insbesondere dass im Inneren der Vorkammer 34 eine Rotationsströmung, insbesondere des in die Vorkammer einströmenden Frischgases, entsteht. Die Zentralöffnung ist dabei vorzugsweise so ausgeführt, dass sie brennraumseitig zum Injektor 22 und somit zum Spray 24 zeigt, um während eines Einspritzvorgangs, in dessen Rahmen der Kraftstoff mittels des Injektors 22 unter Ausbildung des Sprays 24 direkt in den Brennraum 12 eingespritzt wird, eine möglichst hohe Menge des Kraftstoff-Luft-Gemisches beziehungsweise des Frischgases durch einen durch die Strömungsrichtung entstehenden Staudruck in die Vorkammer 34 zu leiten. Hierzu ist die Vorkammerzündkerze 20 vorzugsweise drehlagenorientiert eingebaut, insbesondere eingeschraubt, um eine vorteilhafte Ausrichtung der Zentralöffnung zum Injektor 22 zu gewährleisten.
Vorzugsweise wird dabei die Sprayauslegung des beispielsweise als Mehrloch-Injektor ausgebildeten Injektors 22 sowie das Einspritztiming, das heißt ein Einspritzzeitpunkt, zu welchem der Kraftstoff in den Brennraum 12 direkt eingespritzt wird, so gewählt, dass während eines möglichst großen zeitlichen Anteils der Ansaugphase Frischgas, das heißt Kraftstoff-Luft-Gemisch, insbesondere aus dem Brennraum 12 über die Öffnungen 36 und 38, in die Vorkammer 34 einströmen kann.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 anhand der Fig. beschrieben. Der schräge Verlauf der Zentralöffnung beziehungsweise deren Durchgangsrichtung wird beispielsweise dadurch realisiert, dass die Zentralöffnung schräg gebohrt wird. Für die Zentralöffnung kann beispielsweise eine drehlagerorientierte Einbaulage der Vorkammerzündkerze 20 im Brennraum vorgesehen sein. Erforderliche Toleranzen in der Drehlagengenauigkeit können dabei serienmäßig dargestellt werden.
Wie bereits zuvor angedeutet, wird bei dem Verfahren mittels der Vorkammerzündkerze 20 zu dem Zündzeitpunkt zumindest ein Zündfunke in der Vorkammer 34 erzeugt, um dadurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer 34 und in der Folge das Gemisch im Brennraum 12 zu zünden.
Im Rahmen des Verfahrens ist es zur Realisierung eines vorteilhaften Betriebs vorgesehen, dass während des Ansaugtakts mittels des dem Zylinder 16 zugeordneten Injektors 22 der Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 kennfeldbasiert beziehungsweise kennfeldgesteuert direkt in den Brennraum 12 eingespritzt wird, sodass bereits während des Ansaugtakts infolge eines aus dem Einspritzen resultierenden Impulses und infolge einer insbesondere durch den Pfeil 28 veranschaulichten Strömung im Brennraum ein zumindest zu dem Zündzeitpunkt zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum 12 über die Öffnungen 36 und 38 in die Vorkammer 34 gespült wird.
Dabei ist beispielsweise die Lage des Injektors 22 relativ zur Vorkammerzündkerze 20 und dem Zylinder 16 bei Verwendung eines Piezo-A-Injektors als der Injektor 22 beziehungsweise zusätzlich die Auslegung der Lochgeometrie bei Mehrlochinjektoren und in vorteilhafter Weise eine Strategie zum Einspritzen des Kraftstoffes so gewählt, dass zum Beispiel bei Lastzuständen mit niedriger Last während der Ansaugphase Kraftstoff beziehungsweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum 12 in die Vorkammer 34 gespült wird. Die Strategie, gemäß welcher der Kraftstoff mittels des Injektors 22 direkt in den Brennraum 12 eingespritzt wird, wird auch als Einspritzstrategie bezeichnet. Dabei hängt es beispielsweise bei gewählter Geometrie insbesondere hinsichtlich der Lochgeometrie des Injektors 22 und der Geometrie der Vorkammer 34, hinsichtlich der Lage des Injektors 22 in Relation zur Vorkammerzündkerze 20, hinsichtlich der Brennraumgeometrie und hinsichtlich der Einlasskanalgeometrie, vom Einspritzzeitpunkt ab, wie viel Kraftstoff während der Ansaugphase in Richtung der Vorkammer 34 strömt, durch die Öffnungen 36 und 38 tritt und zu einer Spülung der Vorkammer 34 beziehungsweise zu einer Anreicherung am Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer 34 insbesondere in einen Funkenbereich, führt. Der Einspritzzeitpunkt ist ein Zeitpunkt, zu welchem der Kraftstoff mittels des Injektors 22 in den Brennraum 12 des Zylinders 16 direkt eingespritzt wird. Dabei kommt es beispielsweise während der Ansaugphase grundsätzlich sowohl zu Ein- als auch zu Ausströmvorgängen in der Vorkammer 34. Daher ist es vorzugsweise vorgesehen, die Einspritzstrategie derart zu wählen, dass es zu einem Maximum in der Befüllung der Vorkammer 34 mit Kraftstoff-Luft-Gemisch kommt, das heißt dass das Einströmen an Kraftstoff-Luft-Gemisch überwiegt gegenüber dem Ausströmen, bis sich nach dem unteren Totpunkt des Kolbens 14 dieser nach oben bewegt und infolge der daraus resultierenden Kompression bis zum Zündzeitpunkt immer noch das umgebende Gas in die Vorkammer 34 der Vorkammerzündkerze 20 gedrückt wird. Überwiegt das Ausströmen aus der Vorkammer 34, indem beispielsweise zu früh eingespritzt wird, verschlechtert sich der Lambda-Wert im Funkenbereich zum Zündzeitpunkt hin zu mageren Werten und die Zündfähigkeit nimmt ab.
Vorzugsweise wird die Einspritzstrategie kennfeldbasiert beziehungsweise kennfeldgesteuert so gewählt, dass bei Lastzuständen mit niedrigem Brennraumdruck und somit beispielsweise mit niedriger Last, hoher Ladungsverdünnung mit Luft oder Restgas oder niedriger Ladungsbewegung besonders in der Ansaugphase eine maximierte Anreicherung beziehungsweise Entflammbarkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer 34 erzeugt wird. Dabei kann kennfeldgesteuert beziehungsweise kennfeldbasiert bei besonderen Betriebsarten wie zum Beispiel Katheizen oder Kaltstart beziehungsweise Warmlauf über zusätzliche Einspritzungen und/oder Wahl des Einspritzzeitpunkts ein besonders zünd-/brennfähiges Gemisch in der Vorkammer 34 zum Zündzeitpunkt erzeugt werden. Bei Lastzuständen mit hohem Brennraumdruck, also beispielsweise bei mittlerer und hoher Last, ist infolge der ausreichenden Einströmung von Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Vorkammer 34 in der Kompressionsphase und ausreichend brennbarem Gemisch an der Funkenstrecke der Vorkammerzündkerze 20 keine spezielle Einspritzstrategie notwendig und kann auch in anderen Prämissen, insbesondere hinsichtlich Emissionen und/oder Verbrauch, appliziert werden. Dabei kann in diesen Fällen kennfeldgesteuert auf eine Einspritzbedatung, die auf die Optimierung des Gemisches in der Vorkammer 34 ausgelegt ist, verzichtet werden. Somit wird beispielsweise das beschriebene Verfahren lediglich in Teilbereichen beziehungsweise in wenigstens einem Teilbereich des Kennfelds der Verbrennungskraftmaschine 10 durchgeführt.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Die vorigen und folgenden Ausführungen zur ersten Ausführungsform, insbesondere zu den Öffnungen 36 und 38 gemäß der ersten Ausführungsform, sind auch auf die zweite Ausführungsform übertragbar und umgekehrt. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten Ausführungsform, dass die Öffnung 38 beziehungsweise ihre Durchgangsrichtung in der Längsachse 42 liegen und somit drehlagenunabhängig ausgeführt sein kann. Die Durchgangsrichtung der Öffnung 38a ist dann parallel zur Längsachse 42 oder liegt genau auf der Längsachse 42. Damit ist es möglich, dass die radialen Nebenöffnungen und die zentrale Öffnung 38 in Richtung der Längsachse 42 eine Kombination aus Zu- und Abströmbohrungen bilden, die besonders vorteilhaft für den Gasaustausch in der Vorkammer und die Einströmung von Kraftstoff in die Vorkammer ist. Mit anderen Worten kann die auch als zentrale Bohrung bezeichnete Öffnung 38 als axiale Bohrung, wie in 3 dargestellt, ausgeführt werden. Dadurch wird während des Ansaug- und Einspritzvorgangs eine Durchströmung der Vorkammer 34 mit Luft-Kraftstoff-Gemisch durch eine Rotationsströmung, ausgebildet durch Einströmung mehrheitlich durch die radialen Bohrungen (Öffnungen 36), und eine Ausströmung mehrheitlich durch die zentrale Bohrung (Öffnung 38), erreicht.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
11: Zylinderkopf
12: Brennraum
14: Kolben
16: Zylinder
18: Einlasskanal
20: Vorkammerzündkerze
22: Injektor
24: Spray
26: Auslasskanal
28: Pfeil
30: Einlassventil
32: Auslassventil
34: Vorkammer
36: Öffnungen
38: Öffnung
40: Wandungsbereich
42: Längsachse
44: Doppelpfeil
46: Rand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010010109 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einen Zylinder (16) zum Aufnehmen eines Kolbens (14) und wenigstens eine einen Brennraum (12) des Zylinders (16) zugeordnete Vorkammerzündkerze (20), welche eine über mehrere Öffnungen (36, 38) fluidisch mit dem Brennraum (12) verbundene Vorkammer (34) aufweist, bei welchem mittels der Vorkammerzündkerze (20) zu einem Zündzeitpunkt zumindest ein Zündfunke in der Vorkammer (34) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Ansaugtakts der Verbrennungskraftmaschine (10) mittels eines dem Brennraum (12) zugeordneten Injektors (22) Kraftstoff zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) kennfeldbasiert direkt in den Brennraum (12) eingespritzt wird, sodass bereits während des Ansaugtakts infolge eines aus dem Einspritzen resultierenden Impulses und infolge einer Strömung (28) im Brennraum (12) ein zumindest zum Zündzeitpunkt zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum (12) über die Öffnungen (36, 38) in die Vorkammer (34) gespült wird.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Öffnungen (36, 38) als Zentralöffnung und die anderen Öffnungen (36) als Nebenöffnungen ausgebildet sind, welche in Umfangsrichtung der Vorkammerzündkerze (34) um die Zentralöffnung (38) herum verteilt angeordnet sind.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (36, 38) jeweilige Durchgangsrichtungen (44) aufweisen.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsrichtung der Zentralöffnung (38) schräg zur jeweiligen Durchgangsrichtung (44) der jeweiligen Nebenöffnung (36) verläuft.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsrichtung der Zentralöffnung (38) axial zur Längserstreckungsrichtung (42) der Vorkammerzündkerze (20) verläuft.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsrichtung der Zentralöffnung (38) schräg zur Längserstreckungsrichtung (42) der Vorkammerzündkerze (20) verläuft.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralöffnung (38) brennraumseitig in Richtung eines durch mittels eines Injektors (22) direkt in den Brennraum (12) eingespritzten Kraftstoff gebildeten Kraftstoffsprays (24) geneigt ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Nebenöffnung (36) und die Zentralöffnung (38) voneinander unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Zentralöffnung (38) größer als der jeweilige Durchmesser der jeweiligen Nebenöffnung (36) ist.
Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenöffnungen (36) jeweils einen Durchmesser aufweisen, welcher in einem Bereich von einschließlich 0,7 Millimetern bis einschließlich 1,4 Millimetern liegt.