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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Brennkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Verfahren und Brennkraftmaschinen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Aus der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
WO 01/86126 A2 geht eine Brennkraftmaschine hervor, die in zwei verschiedenen Betriebsarten betreibbar ist. Dabei wird einem Brennraum der Brennkraftmaschine in einer ersten Betriebsart in einem ersten, niedrigen Lastbereich über eine erste Zuführeinrichtung ein erster Brennstoff zugeführt wird, wobei in der ersten Betriebsart in dem Brennraum ein Otto-Brennverfahren verwirklicht wird. In einer zweiten Betriebsart in einem zweiten, höheren Lastbereich, in dem hierfür geeignete Bedingungen vorliegen, wird dem Brennraum zusätzlich zu dem ersten Brennstoff über eine zweite Zuführeinrichtung ein zweiter Brennstoff zugeführt, wobei in der zweiten Betriebsart kein Otto-Brennverfahren, sondern eine Entflammung der beiden Brennstoffe aufgrund der Anwesenheit des zweiten Brennstoffs in dem Brennraum verwirklicht wird, hier konkret nämlich insbesondere ein Brennverfahren, welches auf der Kompressionszündung einer vorgemischten Ladung, nämlich ein sogenanntes PCCI-Brennverfahren (premixed charge compression ignition) verwirklicht wird. Dabei besteht das Problem, dass die zweite Zuführeinrichtung in der ersten Betriebsart nicht oder jedenfalls nicht mit einer Menge an zweitem Brennstoff durchströmt wird, die eine ausreichende Kühlung der zweiten Zuführeinrichtung sicherstellen könnte. Typischerweise wird nämlich in der ersten Betriebsart die gesamte in dem Brennraum während des Brennverfahrens freigesetzte Energie aus dem ersten Brennstoff gewonnen. Außerdem ergeben sich in der ersten Betriebsart sehr hohe Abgastemperaturen, sodass letztlich die Gefahr besteht, dass die zweite Zuführeinrichtung überhitzt und/oder insbesondere in einem Auslassbereich, beispielsweise im Bereich einer Düsenöffnung, verkokt, sodass sie beschädigt und schließlich funktionsunfähig wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, welche diesen Nachteil nicht aufweisen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit den Schritten des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dadurch, dass dem Brennraum in der ersten Betriebsart in einem Saugtakt oder in einer frühen Kompressionsphase über die zweite Zuführeinrichtung eine Kühlmenge des zweiten Brennstoffs zugeführt wird, wird die zweite Zuführeinrichtung gekühlt, wenn die Brennkraftmaschine in der ersten Betriebsart betrieben wird. Auf diese Weise wird effizient eine Überhitzung und/oder Verkokung der zweiten Zuführeinrichtung vermieden. Der Begriff „Kühlmenge“ spricht dabei an, dass die Menge des zweiten Brennstoffs, die dem Brennraum über die zweite Zuführeinrichtung in der ersten Betriebsart zugeführt wird, derart bemessen ist, dass sie zur Kühlung der zweiten Zuführeinrichtung ausreicht, jedoch nur in geringem Maß zu der durch das Brennverfahren freigesetzten Energiemenge beiträgt. Eine Beeinflussung des Zündzeitpunkts in der ersten Betriebsart durch das Zuführen der Kühlmenge wird insbesondere dadurch vermieden, dass diese sehr früh, bevorzugt in dem Saugtakt zugeführt wird, wobei sie bis zum Ende einer Kompressionsphase in dem Brennraum homogenisiert ist und anschließend an der Verbrennung gemäß dem Otto-Brennverfahren teilnimmt. Da die Kühlmenge klein ist, ergibt sich keine emissionskritische Verbrennung des zweiten Brennstoffs in der ersten Betriebsart.
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Der Begriff „in einer frühen Kompressionsphase“ bedeutet dabei, dass die Kühlmenge sehr früh in einem Kompressionstakt, also mit großem Abstand zu einem oberen Totpunkt eines Kolbens zugeführt wird, besonders bevorzugt zu Beginn des Kompressionstakts nahe dem unteren Totpunkt oder sogar im unteren Totpunkt des Kolbens. Jedenfalls erfolgt die Zuführung der Kühlmenge in der ersten Betriebsart so früh, dass diese bis zum Ende der Kompressionsphase homogenisiert ist, wobei sie dann an der Verbrennung gemäß dem Otto-Brennverfahren teilnimmt.
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Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt parametergesteuert von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart und zurück gewechselt. Dabei wird/werden als Parameter oder Brennbedingungen bevorzugt ein Druck in dem Brennraum, eine Brennraumtemperatur, eine Menge an rückgeführtem Abgas und/oder eine Temperatur des rückgeführten Abgases herangezogen. Dabei zeigt sich, dass generell in einem niedrigen Lastbereich keine Bedingungen vorliegen, die einen Betrieb der Brennkraftmaschine in der zweiten Betriebsart erlauben.
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Insbesondere sind dort typischerweise der Brennraumdruck sowie die Temperatur in dem Brennraum zu niedrig. Abhängig von den konkret vorliegenden Bedingungen, insbesondere der konkreten Brennkraftmaschine und den konkreten Betriebsbedingungen, beispielsweise einem zeitlichen Abstand zu einem Starten der Brennkraftmaschine, erstreckt sich der niedrigere Lastbereich von einem Leerlauf bis in einen Teillastbereich hinein. Der höhere Lastbereich schließt sich dort an den niedrigeren Lastbereich an und erstreckt sich vorzugsweise bis zum Volllastbereich. Dabei ist es möglich, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine und insbesondere mit zunehmender Erwärmung derselben sich die Grenze zwischen dem niedrigen Lastbereich und dem höheren Lastbereich verschiebt, sodass es insbesondere bei zunehmender Temperatur in dem Brennraum möglich ist, die Brennkraftmaschine auch bei niedrigerer Last insbesondere im niedrigeren Teillastbereich, bereits in der zweiten Betriebsart zu betreiben. Maßgeblich dafür, ob ein niedriger Lastbereich vorliegt, in welchem die Brennkraftmaschine in der ersten Betriebsart betrieben wird, oder ob bereits ein höherer Lastbereich vorliegt, in dem die Brennkraftmaschine bevorzugt in der zweiten Betriebsart betrieben wird, sind also die Brennbedingungen, die es entweder erlauben, die Brennkraftmaschine in der zweiten Betriebsart zu betreiben, oder die dies nicht gestatten und es insoweit erforderlich machen, die Brennkraftmaschine in der ersten Betriebsart zu betreiben. Dabei überwacht ein Motorsteuergerät zumindest einen der hier genannten Parameter und schaltet die Brennkraftmaschine abhängig hiervon von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart oder zurück von der zweiten Betriebsart in die erste Betriebsart.
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Der niedrigere Lastbereich und der höhere Lastbereich sind also derart aufeinander bezogen, dass sie typischerweise im Bereich des Übergangs vom Niedriglastbereich zum Teillastbereich oder innerhalb des Teillastbereichs der Brennkraftmaschine aneinander grenzen, wobei der höhere Lastbereich sich von dem niedrigeren Lastbereich dadurch unterscheidet, dass Bedingungen vorliegen, unter denen die zweite Betriebsart mit dem von dem Otto-Brennverfahren verschiedenen Brennverfahren möglich ist.
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Unter einem Otto-Brennverfahren wird allgemein ein Brennverfahren verstanden, bei welchem im Brennraum ein möglichst homogenes Gemisch aus einem Brennstoff und Verbrennungsluft verdichtet wird, wobei das verdichtete Gemisch durch Fremdzündung entflammt wird. Dabei wird das homogene Gemisch entweder in dem Brennraum beispielsweise durch Einspritzung in einen Saugtakt erzeugt, oder es wird bevorzugt stromaufwärts des Brennraums vorgemischt und diesem bereits als Gemisch über ein Saugrohr zugeführt. Der Zündzeitpunkt wird durch die Fremdzündung vorgegeben. Im Rahmen des Otto-Brennverfahrens gemäß der ersten Betriebsart wird das homogene Gemisch bevorzugt im stöchiometrischen Verhältnis, also mit einem Lambdawert von 1 vorgelegt. Es sind allerdings auch andere Verhältnisse beziehungsweise Lambdawerte für das homogene Gemisch möglich. Insbesondere wird auch ein Magerbetrieb mit einem Lambdawert größer 1 in der ersten Betriebsart bevorzugt. Bevorzugt wird eine Abgasrückführung verwirklicht.
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In der zweiten Betriebsart wird ebenfalls wie in der ersten Betriebsart in dem Brennraum ein homogenes Gemisch des ersten Brennstoffs mit der Verbrennungsluft komprimiert und entflammt, allerdings nicht durch Fremdzündung, sondern vielmehr aufgrund der Anwesenheit des zweiten Brennstoffs in dem Brennraum.
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Die Fremdzündung in der ersten Betriebsart erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform mittels Funkenzündung, wobei insbesondere eine elektrische Zündkerze vorgesehen ist, durch die im Zündzeitpunkt eine Funkenentladung erzeugt wird, welche das Gemisch entflammt. Alternativ ist es möglich, dass das Gemisch durch eine Laserzündung, vorzugsweise mittels einer Laserzündkerze entflammt wird, wobei ein Laserstrahl auf wenigstens einen vorherbestimmten Zündort fokussiert wird, an dem im Zündzeitpunkt eine Entflammung des Gemischs stattfindet. Bei einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, dass das Gemisch im Zündzeitpunkt durch eine LSI-Zündung (liquid spark ignition) gezündet wird, wobei die Fremdzündung durch Einspritzen einer Kleinstmenge von Brennstoff in den Brennraum bewirkt wird, die höchstens in verschwindendem Maße zu der im Rahmen des Brennverfahrens freigesetzten Energie beiträgt. Dabei ist es möglich, dass in einem Kompressionstakt der Brennkraftmaschine nahe des oberen Totpunkts des Kolbens eine Kleinstmenge des ersten Brennstoffs oder auch des zweiten Brennstoffs über die erste Zuführeinrichtung, die zweite Zuführeinrichtung oder eine dritte Zuführeinrichtung eingebracht wird. Es ist auch möglich, dass hierfür ein dritter Brennstoff verwendet wird. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher über die zweite Zuführeinrichtung eine Kleinstmenge des zweiten Brennstoffs spät in einem Kompressionstakt dem Brennraum zugeführt wird, reicht diese Kleinstmenge jedenfalls nicht aus, um die zweite Zuführeinrichtung ausreichend zu kühlen, um sie vor Überhitzung und Verkokung zu schützen. Daher ist auch in diesem Fall die Zufuhr der Kühlmenge in dem Saugtakt – oder auch früh in dem Kompressionstakt – wichtig für den Erhalt der Funktionalität der zweiten Zuführeinrichtung.
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In der zweiten Betriebsart erfolgt bevorzugt keine Fremdzündung. Insbesondere bedeutet dies, dass keine elektrische Funkenzündung, Laserzündung oder LSI-Zündung stattfindet. Vielmehr erfolgt eine Entflammung der Brennstoffe aufgrund der Anwesenheit des zweiten Brennstoffs in dem Brennraum, was im Folgenden noch näher erläutert wird.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher in der zweiten Betriebsart eine Zündstrahlzündung durch Zuführen des zweiten Brennstoffs verwirklicht wird. Dabei unterscheidet sich diese Betriebsart auch dann von der ersten Betriebsart, wenn dort eine Fremdzündung nach Art einer LSI-Zündung vorgenommen wird. Der Anteil des zweiten Brennstoffs an der dem Brennraum insgesamt zugeführten Energie ist nämlich in der zweiten Betriebsart wesentlich größer ist als in der ersten Betriebsart. Es wird also im Rahmen der Zündstrahlzündung gemäß der zweiten Betriebsart eine größere Zündmenge des zweiten Brennstoffs über die zweite Zuführeinrichtung zugeführt, als dies in der ersten Betriebsart bei der LSI-Zündung der Fall ist. In der zweiten Betriebsart wird im Übrigen ein Brennverfahren verwirklicht, bei dem typischerweise niedrigere Abgastemperaturen auftreten, als in der ersten Betriebsart. Diese beiden Effekte gemeinsam führen dazu, dass in der zweiten Betriebsart eine zusätzliche Kühlung der zweiten Zuführeinrichtung über die Zuführung des Zündstrahls hinaus nicht erforderlich ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in der zweiten Betriebsart ein Brennverfahren verwirklicht, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer reaktionskontrollierten Selbstzündung, auch RCAI-Brennverfahren (reactivity controlled auto ignition) genannt, einer reaktivitätskontrollierten Kompressionszündung, auch RCCI-Brennverfahren (reactivity controlled compression ignition) genannt, einer kontrollierten Selbstzündung, auch CAI-Brennverfahren (controlled auto ignition) genannt, einem PPC-Brennverfahren (partially premixed combustion), einer Selbstzündung einer homogenen Ladung, auch HCSI-Brennverfahren (homogeneous charge self-ignition) genannt, einem ATAC-Brennverfahren (active thermo-atmosphere combustion oder active thermo combustion), einer aktiven radikalischen Verbrennung (active radical combustion), einer fluiddynamisch kontrollierten Verbrennung (fluid dynamically controlled combustion), einem Brennverfahren, welches als TS-Brennverfahren bezeichnet wird, wobei TS für „Toyota Soken“ steht, und einem Brennverfahren, welches auf der Kompressionszündung einer homogenen Ladung basiert, und das als CIHC-Brennverfahren (compression-ignited homogeneous charge) bezeichnet wird.
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Besonders bevorzugt wird in der zweiten Betriebsart das RCAI-Brennverfahren oder das PCCI-Brennverfahren mit reaktionsgesteuerter Verbrennung verwirklicht.
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Dabei wird vorzugsweise eine vorgemischte oder in dem Brennraum erzeugte homogene Ladung, mithin ein homogenes Gemisch des ersten Brennstoffs mit Verbrennungsluft durch Kompressionszündung entflammt, wobei dem Brennraum zur Unterstützung der Entflammung der zweite Brennstoff zugeführt wird.
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Während bei der zuvor beschriebenen Zündstrahlzündung der zweite Brennstoff spät, insbesondere nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens zugeführt wird, wobei der Zündzeitpunkt durch den Zeitpunkt der Zuführung des zweiten Brennstoffs definiert wird, wird im Rahmen der hier angesprochenen Brennverfahren der zweite Brennstoff in dem Kompressionstakt früh eingespritzt, also mit deutlich größerem Abstand zu dem oberen Totpunkt, wobei die zugeführte Pilotmenge des zweiten Brennstoffs im Kompressionstakt teilhomogenisiert wird, mithin zum Zündzeitpunkt zumindest teilweise verdampft vorliegt, teilweise gegebenenfalls aber auch noch in Tröpfchenform, und wobei der Zündzeitpunkt zumindest nicht unmittelbar durch die Zufuhr der Pilotmenge des zweiten Brennstoffs definiert wird, sondern vielmehr eine Kompressionszündung und reaktionsgesteuerte Verbrennung der Brennstoffe erfolgt.
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Diese Art der Verbrennung ist nur sichergestellt, wenn der Druck und die Temperatur im Brennraum hierfür ausreichend hoch sind. Typischerweise wird auch eine Abgasrückführung vorgesehen, wobei eine ausreichende Menge rückgeführten Abgases zur Verfügung stehen sollte, um die entsprechende Verbrennung zu gewährleisten. Während die Verbrennung gemäß der zweiten Betriebsart in Hinblick auf die Emissionen besonders günstig ist und zugleich einen hohen Wirkungsgrad aufweist, ist sie insbesondere im Niedriglastbereich nicht durchführbar, weil die nötigen Bedingungen nicht vorliegen. Hier wird daher die erste Betriebsart verwirklicht, wobei bevorzugt das Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine auf die zweite Betriebsart umschaltet, sobald die hierfür notwendigen Bedingungen im Brennraum herrschen.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine in der ersten Betriebsart zugeführte Menge des ersten Brennstoffs an die Kühlmenge des zweiten Brennstoffs angepasst wird. Es wird dabei vorzugsweise ein vorherbestimmtes, insbesondere ein stöchiometrisches oder ein mageres Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnis angestrebt, wobei hier in die Betrachtung dieses Verhältnisses bevorzugt sowohl die Menge des ersten Brennstoffs als auch die Kühlmenge des zweiten Brennstoffs einbezogen wird. Das vorherbestimmte Verhältnis – vorzugsweise von Lambda = 1 oder von Lambda > 1 – wird also demnach mit Bezug auf beide Brennstoffe gemeinsam verwirklicht. Die Menge des ersten Brennstoffs wird zugleich bevorzugt an den Energieeintrag aufgrund der Kühlmenge des zweiten Brennstoffs angepasst, sodass die dem Brennraum durch die Kühlmenge zugeführte Energie durch Reduzierung der Menge des ersten Brennstoffs ausgeglichen wird.
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Auch in der zweiten Betriebsart wird bevorzugt ein vorherbestimmtes, hier besonders bevorzugt ein mageres, oder bei einer anderen Ausführungsform stöchiometrisches Brennstoff/Verbrennungsluft-Verhältnis angestrebt, wobei auch hier sowohl die Menge des ersten Brennstoffs als auch die Menge des zweiten Brennstoffs in die Berechnung des vorherbestimmten Verhältnisses einbezogen werden. Dabei trägt der zweite Brennstoff einen erheblichen Teil der im Rahmen des Brennverfahrens freiwerdenden Energie in den Brennraum ein, sodass eine Teilmenge des ersten Brennstoffs durch eine entsprechende Menge des zweiten Brennstoffs substituiert wird. Auch insofern werden die Brennstoffmengen aufeinander angepasst, wobei insbesondere beim Wechsel von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart – und zurück – innerhalb eines bestimmten Lastbereichs vorzugsweise kein Lastsprung der Brennkraftmaschine auftritt, sondern die dem Brennraum zugeführte Energiemenge insgesamt durch entsprechende Substitution der Brennstoffe konstant gehalten wird.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als zweiter Brennstoff ein Brennstoff verwendet wird, der zündwilliger ist als der erste Brennstoff. Auf diese Weise kann der zweite Brennstoff besonders effektiv die Entflammung des Gemischs in dem Brennraum unterstützen. Alternativ oder zusätzlich wird als erster Brennstoff ein Brennstoff verwendet, der flüchtiger ist als der zweite Brennstoff. Auf diese Weise wird die Bildung eines homogenen Gemischs aus dem ersten Brennstoff und der Verbrennungsluft unterstützt, wobei es mit Blick auf den zweiten Brennstoff jedenfalls in der zweiten Betriebsart nur zu einer teilhomogenen Vermischung kommen muss, sodass dieser weniger flüchtig sein kann als der erste Brennstoff.
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Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher als erster Brennstoff ein Brennstoff verwendet wird, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Benzin, Ethanol oder einem anderen Alkohol, einem biologisch angebauten Brennstoff, insbesondere einem Bio-Alkohol, und einem Gas, insbesondere Erdgas, Magergas, Sondergas, Propan, Butan, oder Wasserstoff.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als zweiter Brennstoff ein Zündöl verwendet, wobei als Zündöl vorzugsweise Diesel oder Kerosin ausgewählt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass als erster Brennstoff ein Otto-Kraftstoff, insbesondere Benzin, verwendet wird, wobei als zweiter Brennstoff Diesel verwendet wird.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine erste Zuführeinrichtung verwendet wird, die in ein Saugrohr zur Heranführung von Verbrennungsluft stromaufwärts des Brennraums mündet. Insofern wird insbesondere ein Verfahren bevorzugt, bei welchem eine Saugrohreinspritzung des ersten Brennstoffs verwirklicht wird. Entsprechend ist die erste Zuführeinrichtung bevorzugt als Einspritzdüse oder Injektor ausgebildet, insbesondere als Saugrohr-Injektor. Alternativ ist es möglich, dass die erste Zuführeinrichtung einen Mischer oder Verdampfer umfasst, der auch als Vergaser bezeichnet wird. Auch auf diese Weise ist der erste Brennstoff in homogener Mischung mit der Verbrennungsluft dem Saugrohr stromaufwärts des Brennraums zuführbar.
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Bei einer anderen alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist es auch möglich, das die erste Zuführeinrichtung unmittelbar in den Brennraum mündet, wobei in diesem Fall der erste Brennstoff bevorzugt in den Saugtakt eingebracht wird, sodass sich bis zur Kompression ein homogenes Gemisch des ersten Brennstoffs mit der angesaugten Verbrennungsluft einstellen kann, welches dann im Kompressionstakt komprimiert wird.
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Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine zweite Zuführeinrichtung verwendet wird, die unmittelbar in den Brennraum mündet. Der zweite Brennstoff wird mittels der zweiten Zuführeinrichtung demnach bevorzugt unmittelbar in den Brennraum eingebracht. Dabei ist die zweite Zuführeinrichtung vorzugsweise als Einspritzdüse oder Injektor ausgebildet.
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Das Verfahren ist nicht auf die Verwendung von zwei Brennstoffen beschränkt. Vielmehr ist es möglich, auch drei oder mehr Brennstoffe zu verwenden. Dabei ist es insbesondere möglich, dass eine dritte Zuführeinrichtung oder mehr als drei Zuführeinrichtungen vorgesehen sind. Alternativ ist es auch möglich, dass insbesondere die zweite Zuführeinrichtung als Zuführeinrichtung für mehr als einen Brennstoff, beispielsweise als Zweistoff-Injektor ausgebildet ist. Beispielsweise ist es dann möglich, für ein fremdgezündetes Otto-Verfahren mit LSI-Zündung mittels der zweiten Zuführeinrichtung in der ersten Betriebsart eine Kleinstmenge des ersten Brennstoffs oder eines anderen Brennstoffs zur Fremdzündung zuzuführen, während im Rahmen der zweiten Betriebsart eine größere Menge des zweiten Brennstoffs mittels der zweiten Zuführeinrichtung in den Brennraum eingebracht wird. Dabei ist die in der zweiten Betriebsart zugeführte Menge des zweiten Brennstoffs größer als die in der ersten Betriebsart zugeführte Menge des ersten oder des anderen Brennstoffs, wobei der andere Brennstoff auch der zweite Brennstoff sein kann.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine weist mindestens einen Brennraum auf, sowie eine erste Zuführeinrichtung zur Zuführung eines ersten Brennstoffs und eine zweite Zuführeinrichtung zur Zuführung eines zweiten Brennstoffs in den Brennraum.
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Weiterhin weist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine eine elektrische Zündkerze oder eine Laserzündkerze auf, um in der ersten Betriebsart eine Fremdzündung mittels Funken- oder Laserzündung zu verwirklichen.
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Die erste Zuführeinrichtung ist vorzugsweise als Saugrohr-Injektor ausgebildet, wobei die zweite Zuführeinrichtung vorzugsweise als Injektor ausgebildet ist, der unmittelbar in den Brennraum mündet.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktionsmaschine, einer Baumaschine oder einem Holzhäcksler, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Bevorzugt weist die Brennkraftmaschine mehr als einen Brennraum auf, insbesondere vier, sechs, acht, zehn, zwölf, sechzehn, achtzehn, zwanzig, zweiunddreißig oder mehr Brennräume.
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Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt ein Motorsteuergerät auf, welches zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Dabei ist das Motorsteuergerät bevorzugt ausgebildet, mindestens einen Parameter zu überwachen, anhand von dessen Wert entschieden werden kann, ob das Betreiben der Brennkraftmaschine in der zweiten Betriebsart möglich ist. Das Motorsteuergerät ist weiterhin ausgebildet, die Brennkraftmaschine von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart umzuschalten, wenn das Betreiben der Brennkraftmaschine in der zweiten Betriebsart möglich ist. Weiterhin ist das Motorsteuergerät bevorzugt ausgebildet, die Brennkraftmaschine von der zweiten Betriebsart in die erste Betriebsart umzuschalten, wenn das Betreiben der Brennkraftmaschine in der zweiten Betriebsart nicht mehr möglich ist. Der mindestens eine Parameter ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Druck in dem Brennraum, einer Temperatur in dem Brennraum, einer Menge an rückgeführtem Abgas und einer Temperatur an rückgeführtem Abgas. Vorzugsweise ist das Motorsteuergerät zumindest mit der ersten Zuführeinrichtung, mit der zweiten Zuführeinrichtung und gegebenenfalls mit einer Fremdzündungseinrichtung, beispielsweise einer elektrischen Zündkerze oder einer Laserzündkerze, wirkverbunden, um diese Elemente derart anzusteuern, dass die Brennkraftmaschine in der ersten Betriebsart oder in der zweiten Betriebsart betrieben wird.
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Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Merkmale eines Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Umgekehrt sind Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Merkmale einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine, und
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2 eine schematische Darstellung in Form eines Flussdiagramms einer Ausführungsform des Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, die eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Die Brennkraftmaschine 1 weist mindestens einen Brennraum 3, bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen 3, insbesondere vier, sechs, acht, zwölf, sechzehn, zweiunddreißig oder mehr Brennräume 3 auf. Die Brennkraftmaschine 1 ist als Hubkolbenmaschine ausgebildet, wobei das Volumen des Brennraums 3 periodisch durch einen in dem Brennraum 3 oszillierenden Kolben 5 verändert wird. Dabei ist die Brennkraftmaschine 1 besonders bevorzugt als Viertakt-Brennkraftmaschine ausgebildet, wobei durch den Kolben 5 ein Ansaugtakt, ein Kompressionstakt, ein Verbrennungstakt und ein Ausstoßtakt in an sich bekannter Weise verwirklicht werden. Der Kolben 5 ist in ebenfalls an sich bekannter Weise mittels eines Pleuels 7 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden, in welche die in dem Brennraum 3 geleistete Arbeit über das Pleuel 7 eingeleitet wird.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist eine erste Zuführeinrichtung 9 auf, die hier als Saugrohr-Injektor 11 ausgebildet ist, der in ein Saugrohr 13 mündet, über das dem Brennraum 3 Verbrennungsluft zuführbar ist. Dabei mündet der Saugrohr-Injektor 11 stromaufwärts des Brennraums 3 in das Saugrohr 13, insbesondere stromaufwärts eines Einlassventils 15. Auf diese Weise ist eine Saugrohreinspritzung eines ersten Brennstoffs verwirklichbar, wobei sich noch in dem Saugrohr 13 ein möglichst homogenes Gemisch des ersten Brennstoffs mit der Verbrennungsluft einstellt, welches dann schließlich über das Einlassventil 15 in den Brennraum 3 geleitet wird.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist weiterhin eine elektrische Zündkerze 17 auf, mit der in der ersten Betriebsart eine Funkenzündung zur Entflammung des Gemischs in dem Brennraum 3 im Rahmen eines Otto-Brennverfahrens verwirklicht wird. Alternativ zu der elektrischen Zündkerze 17 ist bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 eine Laserzündkerze vorgesehen. Bei wieder einem anderen Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ist keine Zündkerze vorgesehen, sondern es wird vielmehr eine LSI-Zündung (liquid spark ignition) verwirklicht, wobei eine Kleinstmenge eines Brennstoffs im Zündzeitpunkt zur Zündung des homogenen Gemischs im Rahmen einer Fremdzündung eingespritzt wird. Auch so wird in der ersten Betriebsart ein Otto-Brennverfahren verwirklicht.
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Die Brennkraftmaschine weist weiterhin eine zweite Zuführeinrichtung 19 auf, die hier als Injektor 21 ausgebildet ist, der unmittelbar in den Brennraum 3 mündet. Dieser ist eingerichtet zur Zuführung eines zweiten Brennstoffs in den Brennraum 3.
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Die erste Zuführeinrichtung 9 ist mit einem nicht dargestellten Reservoir für den ersten Brennstoff fluidverbunden, während die zweite Zuführeinrichtung 19 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Reservoir für den zweiten Brennstoff fluidverbunden ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird als erster Brennstoff bevorzugt Benzin verwendet, während als zweiter Brennstoff bevorzugt Diesel verwendet wird.
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Das im Verbrennungstakt in dem Brennraum 3 gebildete Abgas wird über ein Auslassventil 23 in ein Abgasrohr 25 ausgestoßen. In 1 ist durch eine strichlierte Linie 27 schematisch eine Abgasrückführung dargestellt, wobei in an sich bekannter Weise ein Teil des ausgestoßenen Abgases zurück in das Saugrohr 13 geführt werden kann. Alternativ ist es auch möglich, eine sogenannte interne Abgasrückführung über entsprechende Ansteuerung der Ventile 15, 23 zu verwirklichen. Dies ist auch zusätzlich zu der Abgasrückführung 27 möglich.
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Die Brennkraftmaschine 1 umfasst noch ein Steuergerät 29, welches zumindest mit der ersten Zuführeinrichtung 9, mit der zweiten Zuführeinrichtung 19 und gegebenenfalls mit der elektrischen Zündkerze 17 wirkverbunden ist, um die Brennkraftmaschine 1 in der ersten Betriebsart oder in der zweiten Betriebsart zu betreiben. Bevorzugt ist das Steuergerät 29 auch mit den Ventilen 15, 23 wirkverbunden, um deren Öffnungs- und Schließverhalten zu beeinflussen und somit beispielsweise eine interne Abgasrückführung zu verwirklichen. Weiterhin ist das Steuergerät 29 vorzugsweise mit der Abgasrückführung 27 wirkverbunden, um die Menge des rückgeführten Abgases zu steuern oder zu regeln.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 ist das Steuergerät 29 auch mit mindestens einem in 1 nicht dargestellten Sensor wirkverbunden, der mindestens einen Parameter erfasst, anhand dessen das Steuergerät 29 entscheidet, ob die Brennkraftmaschine 1 in der ersten oder in der zweiten Betriebsart betrieben wird. Es steuert dann die erste Zuführeinrichtung 9, die zweite Zuführeinrichtung 19 und gegebenenfalls die elektrische Zündkerze 17 entsprechend an.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird in der ersten Betriebsart mittels der ersten Zuführeinrichtung 9 der erste Brennstoff in das Saugrohr 13 eingespritzt, und dem Brennraum 3 wird ein homogenes Gemisch aus dem ersten Brennstoff und der Verbrennungsluft zugeführt. Dieses wird mittels Funkenzündung durch die elektrische Zündkerze 17 entflammt. Hierbei entstehen heiße Abgase, und die zweite Zuführeinrichtung 19 wird bei einem konventionellen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 nicht durchströmt, sodass sie zu überhitzen und/oder zur verkoken droht. Erfindungsgemäß ist deshalb vorgesehen, dass in der ersten Betriebsart insbesondere in dem Saugtakt dem Brennraum 3 über die zweite Zuführeinrichtung 19 eine Kühlmenge des zweiten Brennstoffs zugeführt wird, wodurch die zweite Zuführeinrichtung 19 gekühlt wird. Diese Kühlmenge des zweiten Brennstoffs vermischt sich mit dem Gemisch aus dem ersten Brennstoff und der Verbrennungsluft und wird homogenisiert, sodass sie gemeinsam mit dem Gemisch in dem Kompressionstakt verdichtet und schließlich durch die Funkenzündung gezündet wird, wobei sie mit dem Gemisch verbrennt. Dabei entstehen aufgrund der nur kleinen Kühlmenge keine kritischen Emissionswerte in dem Abgas aufgrund des vorhandenen zweiten Brennstoffs. Dabei ist die Kühlmenge allerdings auch nicht völlig zu vernachlässigen, weshalb die über die erste Zuführeinrichtung 9 eingebrachte Menge des ersten Brennstoffs bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens an die Kühlmenge des zweiten Brennstoffs angepasst wird, um ein vorherbestimmtes, beispielsweise stöchiometrisches Verhältnis der gesamten Brennstoffmenge zu der Verbrennungsluft sicherzustellen, und die insgesamt in den Brennraum 3 eingebrachte Energie durch die Summe der beiden Brennstoffmengen zu gewährleisten.
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In der zweiten Betriebsart wird in gleicher Weise wie in der ersten Betriebsart dem Brennraum 3 ein homogenes Gemisch aus dem ersten Brennstoff und der Verbrennungsluft zugeführt. Allerdings wird dieses nicht mittels der dann inaktiven elektrischen Zündkerze 17 entflammt, sondern durch Kompressionszündung, wobei zu einem frühen Zeitpunkt im Kompressionstakt über die zweite Zuführeinrichtung 19 eine Zündmenge des zweiten Brennstoffs zugeführt wird, die im weiteren Verlauf des Kompressionstakts teilhomogenisiert und schließlich gemeinsam mit dem Gemisch kompressionsgezündet wird. Dabei erhöht die Zündmenge des zweiten Brennstoffs die Zündwilligkeit des Gemischs in dem Brennraum 3.
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Die Zündmenge in der zweiten Betriebsart ist vorzugsweise größer als eine eventuell zugeführte Kleinstmenge im Rahmen einer LSI-Zündung in der ersten Betriebsart, und vorzugsweise auch größer als die im Rahmen der ersten Betriebsart zugeführte Kühlmenge.
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Bevorzugt wird dabei in der zweiten Betriebsart ein RCAI-Brennverfahren durchgeführt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 erfolgt also insgesamt in der ersten Betriebsart eine Verbrennung in dem Brennraum 3 nach einem Otto-Brennverfahren durch Funken- oder Laserzündung, wobei in der zweiten Betriebsart ein Brennverfahren nach dem RCAI-Verfahren durchgeführt wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung nach Art eines Flussdiagramms einer Ausführungsform des Verfahrens. In einem Schritt S1 startet das Verfahren. In einem Schritt S2 wird geprüft, ob in dem Brennraum 3 Bedingungen vorherrschen, die einen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 in der zweiten Betriebsart erlauben. Ist dies nicht der Fall, beispielsweise weil die Brennkraftmaschine in einem niedrigen Lastbereich betrieben wird, oder weil sie erst vor kurzer Zeit gestartet wurde, wird das Verfahren in einem Schritt S3 fortgesetzt, indem in dem Brennraum 3 ein Otto-Brennverfahren verwirklicht wird. Hierbei wird in einem Schritt S4 in einem Saugtakt eine Kühlmenge des zweiten Brennstoffs zugeführt, wodurch die zweite Zuführeinrichtung 19 gekühlt wird, um deren Überhitzung und/oder Verkokung zu verhindern.
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In einem Knoten Z1 wird geprüft, ob die Brennkraftmaschine abgeschaltet wurde. Ist dies der Fall, endet das Verfahren in einem Schritt S5. Ist dies nicht der Fall, wird das Verfahren in dem Schritt S2 fortgesetzt, wobei wiederum geprüft wird, ob Bedingungen vorliegen, unter denen die Brennkraftmaschine 1 gemäß der zweiten Betriebsart betrieben werden kann.
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Liegen diese Bedingungen in dem Schritt S2 vor, wird das Verfahren in einem Schritt S6 fortgesetzt, wobei dem Brennraum 3 weiterhin zum einen ein homogenes Gemisch des ersten Brennstoffs und der Verbrennungsluft zugeführt wird, wobei zum anderen zusätzlich eine Zündmenge des zweiten Brennstoffs über die zweite Zuführeinrichtung 19 zugeführt wird, sodass in der zweiten Betriebsart kein Otto-Brennverfahren, sondern eine Entflammung der Brennstoffe aufgrund der Anwesenheit des zweiten Brennstoffs in dem Brennraum verwirklicht wird, vorzugsweise ein RCAI-Brennverfahren.
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In einem zweiten Knoten Z2 wird wiederum geprüft, ob die Brennkraftmaschine abgeschaltet wurde. Ist dies der Fall, endet das Verfahren in dem Schritt S5, andernfalls wird es wiederum mit dem Schritt S2 fortgesetzt.
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Das Verfahren wird vorzugsweise in dem Motorsteuergerät durchgeführt, wobei dieses regelmäßig überprüft, ob Bedingungen vorliegen, unter denen die Betriebsart der Brennkraftmaschine 1 umgeschaltet werden muss.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens und der Brennkraftmaschine 1 ein schonender Betrieb insbesondere einer zweiten Zuführeinrichtung für einen zweiten Brennstoff beim Betrieb einer Brennkraftmaschine möglich ist, wobei diese zweite Zuführeinrichtung auch in einer Betriebsart, in der höchstens eine Kleinstmenge durch die zweite Zuführeinrichtung zugeführt wird, oder in der die zweite Zuführeinrichtung inaktiv ist, geschont und insbesondere vor Überhitzung und/oder Verkokung geschützt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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