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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.
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Aus der
DE 10 2020 110 960 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit einer passiven Vorkammer pro Zylinder bekannt, die mit einem Brennraum strömungsverbunden ist. Eine erste Zündquelle mündet dabei in die Vorkammer ein, während eine zweite Zündquelle außerhalb der Vorkammer in den Brennraum mündet. Die bekannte Brennkraftmaschine weist je Zylinder, insbesondere an einer Brennraumdeckfläche, eine Einlassseite mit zwei Einlassventilöffnungen und eine Auslassseite mit zwei Auslassventilöffnungen auf. Ebenfalls vorgesehen ist eine in den Brennraum mündende Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff. Die Einspritzeinrichtung soll dabei seitlich in den Brennraum einmünden, um ein Klopfen zu vermeiden und Emissionen zu verringern.
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Aus der
AT 522 462 B1 ist eine weitere Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit einer Vorkammer pro Zylinder bekannt, die über zumindest eine Überströmöffnung mit einem Brennraum strömungsverbunden ist. Eine erste Zündquelle mündet dabei in die Vorkammer, während eine zweite Zündquelle außerhalb der Vorkammer in den Brennraum einmündet. Zur Verbesserung eines Emissionsverhaltens und dem Verringern eines Klopfens ist eine dritte Zündquelle außerhalb der Vorkammer vorgesehen, die ebenfalls in den Brennraum einmündet.
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Aus der
EP 3 561 255 B1 ist eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug bekannt, welche zumindest einen Zylinder und mindestens einen Einlasskanal aufweist, der geeignet ist, dem Zylinder Frischluft über mindestens eine Einlassöffnung zuzuführen. Über zumindest ein Einlassventil wird der in den Zylinder eintretende Luftstrom gesteuert. Über zumindest ein Einspritzventil kann unverbrannter Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt werden. Des Weiteren vorgesehen ist zumindest eine erste Zündkerze, die an einem Zylinderkopf angebaut ist und innerhalb des Brennraums zum zyklischen und selektiven Zünden eines Kraftstoff-/Luftgemischs bestimmt ist. Eine zweite Zündkerze ist innerhalb einer Vorkammer angeordnet. Die erste Zündkerze liegt zudem an einer Position benachbart zu einer Einspritzdüse, während die Vorkammer an einer Mittelposition innerhalb des Brennraums angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2018 112 450 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit einer passiven Vorkammer pro Zylinder bekannt, die mit einem Brennraum strömungsverbunden ist, wobei eine erste Zündquelle in die Vorkammer und eine zweite Zündquelle außerhalb der Vorkammer in den Brennraum einmündet. Zusätzlich weist die Brennkraftmaschine eine Einlassseite mit zwei Einlassventilöffnungen und einer Auslassseite mit zwei Auslassventilöffnungen sowie eine in den Brennraum mündende Einspritzeinrichtung auf. Die Einspritzeinrichtung ist dabei auf der Auslassseite angeordnet, während die zweite Zündquelle auf der Einlassseite und die Vorkammer in einem zentralen Bereich einer Brennraumdeckfläche angeordnet sind.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine anzugeben.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei einer an sich bekannten Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einer passiven Vorkammer je Zylinder werden eine Einspritzeinrichtung sowie eine in einen Brennraum mündende zweite Zündquelle an anderer Stelle als bislang angeordnet, um dadurch einen deutlich verbesserten, insbesondere auch emissionsärmeren Betrieb der Brennkraftmaschine in sämtlichen Betriebsbereichen zu erreichen. Die Brennkraftmaschine weist dabei einen Zylinderkopf mit einer passiven Vorkammer pro Zylinder auf, die mit dem Brennraum kommunizierend verbunden ist. Eine derartige passive Vorkammer besitzt somit keine eigene Kraftstoffeinspritzung. Eine erste Zündquelle ist dabei in der Vorkammer angeordnet bzw. mündet in diese ein, während eine zweite Zündquelle außerhalb der Vorkammer, insbesondere in einem Bereich einer Brennraumdeckfläche, angeordnet ist und in den Brennraum einmündet. Je Zylinder bzw. je Brennraumdeckfläche ist dabei eine Einlassseite mit zwei Einlassventilöffnungen sowie eine Auslassseite mit zwei Auslassventilöffnungen vorgesehen. Ebenfalls vorgesehen ist eine in den Brennraum mündende Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum. Die Einspritzeinrichtung ist nun auf der Auslassseite angeordnet, während die zweite Zündquelle, das heißt die Zündquelle, die direkt in den Brennraum mündet, auf der Einlassseite angeordnet ist. Die Vorkammer und damit auch deren erste Zündquelle sind in einem zentralen Bereich einer Brennraumdeckfläche, das heißt des Zylinderkopfes, angeordnet. Durch die derart gewählte Anordnung der Einspritzeinrichtung, der Vorkammer sowie der zweiten Zündquelle kann die Brennkraftmaschine über sämtliche Betriebsbereiche, das heißt beispielsweise einen Teillastbetrieb, einen Mischbetrieb und einen Volllastbetrieb äußerst effektiv, das heißt kraftstoffsparend und emissionsarm und mit zugleich hohem Wirkungsgrad betrieben werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Einspritzeinrichtung zwischen den beiden Auslassventilöffnungen angeordnet. Hierdurch kann eine besonders effektive Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum erreicht werden, insbesondere da ein Einspritzen von Kraftstoff auf der Auslassseite und ein Einströmen von Luft auf der Einlassseite und damit ein verbessertes Durchmischen des Kraftstoff-/Luftgemischs und dadurch auch eine verbesserte Verbrennung ermöglicht werden.
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Zweckmäßig ist die zweite Zündquelle zwischen den beiden Einlassventilöffnungen angeordnet. Auch diese Anordnung ermöglicht einen besonders effektiven, kraftstoffreduzierenden und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine, da ein Zünden des Kraftstoff-/Luftgemischs im Brennraum nicht direkt benachbart zur Einspritzeinrichtung erfolgt, sondern auf der gegenüberliegenden Einlassseite, so dass davon auszugehen ist, dass beim Zünden bereits eine gute Durchmischung der in den Brennraum einströmenden Luft und des eingespritzten Kraftstoffs erfolgt sind. Mit der Vorkammer (zentral angeordnet) werden deutliche Wirkungsgradvorteile bzw. Leistungspotenziale erreicht, aber mit sehr schlechte Performance bis hin zu nicht fahrbahre Teillast oder Kaltstartfähigkeit. Die zweite Zündquelle ermöglicht die Ausweitung in Richtung Teillast und Kaltstart. Die Anordnung der zweiten Zündquelle wird dabei so ausgewählt, dass optimale Zündbedingungen für die Teillast und den Kaltstart, inkl. Katalysator Heizen und Betriebsstrategien herrschen. Durch die Anordnung der zweiten Zündquelle zwischen den Einlassventilen ist eine optimierte Anordnung möglich, da dort die Strömung gezielt vorbeikommt. Zudem ist zentral im Brennraum sehr wenig Platz vorhanden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Zündquelle im Bereich einer Zylinderachse des Zylinders angeordnet. Die Zylinderachse stellt dabei einen Mittelpunkt des zentralen Bereichs dar, so dass in diesem besonderen Fall die erste Zündquelle und indirekt darüber auch die Vorkammer im Bereich der Zylinderachse angeordnet sind. Durch die Anordnung der ersten Zündquelle bzw. auch der Vorkammer im Bereich der Zylinderachse kann eine rasche Verbrennung sowie eine platzsparende Anordnung erreicht werden. Außerdem ist es hierdurch auch möglich, eine Klopfneigung zu reduzieren. Die zentrale Vorkammerposition ist vorteilhaft, damit Fackelstrahlen bzw. gezündetes Gemisch aus der Vorkammer strömt und möglichst den gesamten Brennraum erfasst.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zum Betreiben einer in den vorherigen Absätzen beschriebenen Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem in einem Teillastbetrieb ein Kraftstoff-/Luftgemisch durch die zweite Zündquelle im Brennraum gezündet wird, bei dem in einem Volllastbetrieb das Kraftstoff-/Luftgemisch ausschließlich durch die erste Zündquelle in der Vorkammer gezündet wird und bei dem in einem Mischbetrieb das Kraftstoff-/Luftgemisch in der Vorkammer und das Kraftstoff-/Luftgemisch im Brennraum gleichzeitig oder nacheinander durch die erste Zündquelle in der Vorkammer und durch die zweite Zündquelle im Brennraum gezündet werden. Der Teillastbetrieb umfasst dabei beispielsweise einen Kaltstart der Brennkraftmaschine, ein Heizen eines Katalysators und/oder einen Leerlauf. Ein derartiger Kaltstart bzw. ein Heizen eines Katalysators oder auch ein Niedriglastbetrieb wird somit über die zweite Zündquelle im Brennraum bewerkstelligt, da eine zufriedenstellende Zündung des Kraftstoff-/Luftgemisches über die erste Zündquelle in der Vorkammer nicht zufriedenstellend gewährleistet werden kann. Um insbesondere eine Verkokung in der Vorkammer zu vermeiden, kann selbstverständlich die erste Zündquelle aktiv gezündet werden. Insgesamt kann so mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein deutlich verbesserter, insbesondere kraftstoff- und emissionsärmerer Betrieb der Brennkraftmaschine sowie ein Betrieb mit höherem Wirkungsgrad erreicht werden.
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Zweckmäßig herrscht im Volllastbetrieb im Brennraum ein Druck pme > 12 bar, insbesondere ein Druck von pme > 15 bar. Pme steht dabei für den effektiven Mitteldruck, das heißt eine hubraumbezogene Drehmomentangabe (also, pme proportional zu Drehmoment). Volllast liegt im Bereich von > 12bar pme, bei aufgeladenen Motoren üblicherweise von 16bar pme bis > 30bar pme vor. Pme ist dabei eine Lastgröße. Im Volllastbetrieb erfolgt die Zündung des Kraftstoff-/Luftgemisches durch die erste Zündquelle in der Vorkammer, während die zweite Zündquelle, welche beispielsweise als Hakenzündkerze ausgebildet sein kann, abgeschaltet ist. Hierdurch ist es möglich, die zweite Zündquelle vor zu hohen Belastungen, beispielsweise zu hohen Durchspruchspannungen unter Volllast bzw. hoher Ladungsdichte, welche die Keramik einer solchen als Hakenzündkerze ausgebildeten zweiten Zündquelle zerstören könnte, zu schützen. Außerdem ist es hierdurch möglich, Aussetzer zu minimieren.
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Zweckmäßig herrscht im Teillastbetrieb ein Druck pme zwischen 4 und 12 bar. Hierdurch ist es möglich, im Mischbetrieb zwischen unterer Teillast und Volllast einen äußerst hohen Wirkungsgrad zu erreichen und zugleich einen Übertrag des Betriebs der klassischen Hakenzündkerze zur Vorkammerzündung zu gewährleisten. Der Teillastbetrieb wird über Drehmoment definiert, oder den effektiven Mitteldruck pme. Bei sehr niedriger Last/Drehmoment/pme wird die Zündung optimal hinsichtlich Wirkungsgrad/Verbrauch/Laufruhe/Emissionen über die zweite klassische Zündkerze. Je höher die Last/Drehmoment/pme ist, wird die Zündung mit der ersten zündquelle (Vorkammerkerze) immer besser, so dass im Bereich ca. 10 bis 14 bar pme langsam der Wirkungsgrad mit der Vorkammerkerze zentral immer besser wird, bis es besser ist als die klassische Hakenkerze. Man braucht einen weiten Bereich (in der Teillast, insbesondere bei pme > 10bar), in dem dieser Mischbetrieb beider Kerzen wichtig ist, weil der optimale Betrieb der ersten Zündquelle (Vorkammerkerze) zentral von vielen Randbedingungen abhängig ist und zum Garantieren des besten Zündbetriebes, ist es notwendig, beide Zündquellen zu nutzen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Ansicht auf eine Brennraumdeckfläche einer Brennkraftmaschine zur Verdeutlichung einer Anordnung einer Einspritzeinrichtung einer zweiten Zündquelle sowie einer Vorkammer,
- 2 ein Lastdrehzahldiagramm mit Teillastbetrieb, Volllastbetrieb und Mischbetrieb.
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Entsprechend der 1, weist eine Brennkraftmaschine 1, welche beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 2 eingesetzt werden kann, einen Zylinderkopf 3 mit einer passiven Vorkammer 4 je Zylinder auf, wobei die Vorkammer 4 mit einem Brennraum kommunizierend, das heißt strömungsverbunden ist. Der Brennraum liegt dabei gemäß der 1 oberhalb der Bildebene. Ebenfalls vorgesehen sind eine erste Zündquelle 6 in der Vorkammer 4 sowie eine zweite Zündquelle 5 außerhalb der Vorkammer 4, wobei die erste Zündquelle 6 in die Vorkammer 4 mündet, während die zweite Zündquelle 5 in den Brennraum mündet. Der Zylinderkopf 3 bzw. eine Brennraumdeckfläche 7 desselben ist in eine Einlassseite E und eine Auslassseite A aufgeteilt. Auf der Einlassseite E sind zwei Einlassventilöffnungen EV vorgesehen, während auf der Auslassseite A zwei Auslassventilöffnungen AV angeordnet sind. Ebenfalls vorgesehen ist noch eine in den Brennraum mündende Einspritzeinrichtung 8 zum Einspritzen von Kraftstoff. Dabei ist nun die Einspritzeinrichtung 8 auf der Auslassseite A angeordnet, während die zweite Zündquelle 5 auf der Einlassseite E angeordnet ist, die Vorkammer 4 wiederum und darüber auch die erste Zündquelle 6 sind in einem zentralen Bereich Z der Brennraumdeckfläche 7 angeordnet.
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Die Anordnung der Vorkammer 4, der zweiten Zündquelle 5 und der Einspritzeinrichtung 8 ermöglicht einen verbrauchsreduzierten und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 und zwar in sämtlichen Betriebsbereichen, wie beispielsweise einem Teillastbetrieb 9, einem Volllastbetrieb 10 sowie einem Mischbetrieb 11 (vgl. 2). Last-Grenzen können dabei variabel in Abhängigkeit der Effektivität und Randbedingungen beider Zündsysteme definiert werden.
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Betrachtet man die 1 weiter so kann man erkennen, dass die Einspritzeinrichtung 8 vorzugsweise zwischen den beiden Auslassventilöffnungen AV angeordnet ist, wodurch eine besonders gute Durchmischung der über die Einlassventilöffnungen EV einströmenden Luft und des über die Einspritzeinrichtung 8 eingespritzten Kraftstoffs ermöglicht wird. Die zweite Zündquelle 5 liegt vorzugsweise zwischen den beiden Einlassventilöffnungen EV, wodurch ebenfalls die Verbrennung verbessert werden kann, beispielsweise im Vergleich zu einer auf der Auslassseite benachbart zur Einspritzeinrichtung 8 liegenden zweiten Zündquelle 5.
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Die erste Zündquelle 6 kann darüber hinaus im Bereich einer Zylinderachse des Zylinders angeordnet sein, wobei die Zylinderachse gemäß der 1 orthogonal zur Bildebene verläuft.
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Die zweite Zündquelle 5 kann beispielsweise als Hakenzündkerze ausgebildet sein und dadurch als kostengünstiges Standardbauteil, wodurch die Herstellungskosten für die Brennkraftmaschine 1 reduziert werden können. In analoger Weise kann selbstverständlich auch die erste Zündquelle 6 rein theoretisch als eine derartige Hakenzündkerze ausgebildet sein. Ebenso denkbar ist, dass die erste Zündquelle 6 eine passive zentrale Vorkammerzündkerze besitzt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der in den vorherigen Absätzen beschriebenen Brennkraftmaschine 1 wird in einem Teillastbetrieb 9 ein Kraftstoff-/Luftgemisch durch die zweite Zündquelle 5 im Brennraum gezündet. Dieser Teillastbetrieb 9 kann beispielsweise auch eine Kaltstartphase, ein Aufheizen eines Katalysators und/oder einen Niedriglastbetrieb bzw. einen Leerlauf umfassen, in welchem die erste Zündquelle 6 nicht oder nur unzureichend funktioniert. Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass die erste Zündquelle 6 auch im Teillastbetrieb zumindest temporär aktiv gezündet wird, um einer Verkokung in der Vorkammer 4 vorzubeugen. Im Volllastbetrieb 10 wird das Kraftstoff-/Luftgemisch im Brennraum durch die erste Zündquelle 6 in der Vorkammer 4 gezündet, wobei hier beispielsweise ein Druck pme von größer als 12 bar bzw. ein Ladedruck p > 1000 mbar herrscht. Bei diesen Bedingungen kann eine Vorkammerzündung mit deutlichen Wirkungsgradvorteilen durchgeführt werden, was sich positiv auf die Abgaswerte auswirkt. Ab einer vordefinierten Last, beispielsweise einem vordefinierten Druck pme bis ca. 15 bar bzw. einem Ladedruck p von ca. 1200 mbar, sollte die beispielsweise als Hakenzündkerze ausgebildete zweite Zündquelle 5 abgeschaltet werden, um diese zu schützen, da beispielsweise hohe Durchbruchspannungen unter Volllast bzw. eine hohe Ladungsdichte eine Keramik einer derartigen als Hakenzündkerze ausgebildeten zweiten Zündquelle 5 zerstören und zu Aussetzern führen könnten.
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Im Mischbetrieb 11 werden das Kraftstoff-/Luftgemisch in der Vorkammer 4 und das Kraftstoff-/Luftgemisch im Brennraum gleichzeitig oder nacheinander durch die erste Zündquelle 6 in der Vorkammer 4 und durch die zweite Zündquelle 5 im Brennraum gezündet. In diesem Mischbetrieb, beispielsweise in einem Bereich mit einem Druck pme zwischen 4 und 12 bar, ist es besonders vorteilhaft hinsichtlich eines Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine 1, eine Zündung des Kraftstoff-/Luftgemischs über beide Zündquellen 6, 5 zu bewirken und dadurch den Übertrag des Betriebs der klassischen Hakenzündkerze zur Vorkammerzündung zu gewährleisten.
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Alles in allem kann mit der Brennkraftmaschine 1 und dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ein verbrauchs- und emissionsoptimierter Betrieb der Brennkraftmaschine 1 erreicht werden.