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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine und ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine.
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Bei Brennkraftmaschinen, bei denen ein gasförmiger Brennstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine während eines Saugtakts, oder während eines Kompressionstakts und/oder während eines Expansionstakts, beispielsweise mittels einer Injektionseinrichtung unter hohem Druck, eingebracht wird, besteht das Problem, dass unter dem hohen oder sogar steigenden Druck in dem Brennraum während des Einbringens oder nach dem Einbringen des gasförmigen Brennstoffs Reste von diesem in der Injektionseinrichtung zum Einbringen des gasförmigen Brennstoffs, beispielsweise in einem Sackloch eines Injektors, verbleiben. Diese Restmengen an gasförmigem Brennstoff entweichen während des Expansionstakts typischerweise zu Zeiten, zu denen die Verbrennung bereits so weit fortgeschritten ist, dass die Brennstoffrestmengen nicht mehr an der Verbrennung teilnehmen und unverbrannt im nächsten Ausstoßtakt ausgeschoben werden. Hierdurch ergeben sich erhöhte Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Betrieb der Brennkraftmaschine. Darüber hinaus verbleiben auch durch andere Effekte, beispielsweise durch sogenanntes Quenching, nämlich ein Auslöschen der Verbrennung in kühleren, insbesondere wandnahen Bereichen, oder durch Wandauftrag, weitere unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Brennraum, die mit dem Abgas ausgestoßen werden.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2014 217 964 A1 sind Verfahren und Systeme zum Einstellen der zur Verbrennung von während eines Ausstoßtakts eines Zylinderverbrennungsereignisses eingespritztem gasförmigen Kraftstoff erforderlichen Zündenergie des Funkens zum Verringern des Turbolochs bekannt. In einem Beispiel umfasst das Verfahren Verbrennen einer ersten Menge gasförmigen Kraftstoffs während eines Verdichtungstakts eines Zylinderverbrennungsereignisses unter Verwendung einer ersten Zündenergie und Verbrennen einer zweiten Menge gasförmigen Kraftstoffs während eines Ausstoßtakts des Zylinderverbrennungsereignisses unter Verwendung einer zweiten Zündenergie, wobei die zweite Zündenergie geringer als die erste Zündenergie ist. Die zweite Zündenergie kann basierend auf Druck im Zylinder und Zylinderlast eingestellt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine und ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, welches folgende Schritte aufweist: Es wird ein gasförmiger Brennstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine während eines Saugtakts, oder während eines Kompressionstakts und/oder während eines Expansionstakts eingebracht. Der gasförmige Brennstoff wird durch ein erstes Entflammen zumindest teilweise entflammt. Der zumindest teilweise entflammte gasförmige Brennstoff wird expandiert, und es erfolgt ein zweites Entflammen des expandierten gasförmigen Brennstoffs. Durch das zweite Entflammen kann insbesondere in dem Brennraum vorhandener, beispielsweise aus einem Totvolumen einer Injektionseinrichtung für den gasförmigen Brennstoff heraus expandierter Anteil des gasförmigen Brennstoffs, oder in wandnahen Bereichen des Brennraums vorhandener gasförmiger Brennstoff, der nicht mehr an der durch das erste Entflammen initiierten Verbrennung teilnimmt, entflammt und somit umgesetzt werden, sodass insgesamt der Anteil an umgesetztem gasförmigen Brennstoff erhöht und der Anteil an mit dem Abgas ausgeschobenem, unverbranntem gasförmigen Brennstoff vermindert wird. Die Emissionen der Brennkraftmaschine von unverbrannten Kohlenwasserstoffen können also minimiert, vorzugsweise eliminiert werden. Das zweite Entflammen wird spätestens zu einem Öffnungszeitpunkt des Auslassventils durchgeführt, und/oder wenn ein Druck in dem Brennraum ausgehend von einem Spitzendruck in dem Brennraum auf höchstens 50% des Spitzendrucks gefallen ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass jedenfalls ein Hauptteil von unter höherem Druck in einem Tot- oder Schadvolumen der Injektionseinrichtung vorhandenem gasförmigen Brennstoff in den Brennraum expandiert ist, bevor dieser restliche gasförmige Brennstoff entflammt wird. Somit wird die Effizienz der Vermeidung von Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe erhöht.
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Dass der gasförmige Brennstoff während eines Kompressionstakts und/oder während eines Expansionstakts in den Brennraum eingebracht wird, schließt ein, dass der gasförmige Brennstoff in den Brennraum eingebracht wird, während ein in dem Brennraum beweglicher Kolben in einem oberen Totpunkt, insbesondere in unmittelbarer zeitlicher Nähe zu dem ersten Entflammen, angeordnet ist.
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Durch das zweite Entflammen wird insbesondere bevorzugt noch nicht entflammter, gasförmiger Brennstoff in dem Brennraum entzündet und damit umgesetzt.
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Unter einem gasförmigen Brennstoff wird hier insbesondere ein Brennstoff verstanden, welcher unter Normalbedingungen, also insbesondere bei 1013 mbar und 25°C oder 298 K, gasförmig vorliegt. Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt eine als Gasmotor ausgebildete Brennkraftmaschine betrieben. Der gasförmige Brennstoff weist vorzugsweise Methan auf. Besonders bevorzugt wird als gasförmiger Brennstoff Erdgas verwendet. Insbesondere ist es möglich, dass als gasförmiger Brennstoff verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas – LNG) oder komprimiertes Erdgas (Compressed Natural Gas – CNG) verwendet wird. Es ist aber auch möglich, dass die Brennkraftmaschine unmittelbar mit einer Gasleitung in Fluidverbindung ist, sodass direkt Brenngas aus der Gasleitung als gasförmiger Brennstoff in der Brennkraftmaschine verwendet werden kann.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Viertaktmotor ausgebildet. Sie weist dabei in für sich genommen bekannter Weise eine Folge von vier verschiedenen Takten auf, nämlich einen Saug- oder Einlasstakt, einen Kompressionstakt, einen Expansions- oder Arbeitstakt, und einen Ausschiebe- oder Ausstoßtakt. Dabei pendelt ein in dem Brennraum verlagerbarer Kolben zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt, wobei insbesondere der obere Totpunkt während eines Arbeitsspiels des Kolbens, also während einer Abfolge der vier verschiedenen Takte, zweimal durchlaufen wird, nämlich einmal zum Ende des Ausstoßtaktes und zum Beginn des Einlasstaktes, und ein anderes Mal zum Ende des Kompressionstakts und zum Beginn des Expansionstakts. Dieses letzte Erreichen des oberen Totpunkts (OT) wird auch als Zünd-OT bezeichnet. Dass der gasförmige Brennstoff während eines Kompressionstakts und/oder während eines Expansionstakts eingebracht wird, schließt also ein, dass der gasförmige Brennstoff während des Zünd-OT eingebracht wird.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der gasförmige Brennstoff mittels Direkteinspritzung in den Brennraum eingebracht wird. Dies stellt eine ebenso einfache wie effektive Art der Einbringung des gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum dar. Je nach Zeitpunkt der Direkteinspritzung innerhalb des Arbeitsspiels können verschiedene Brennverfahren verwirklicht werden.
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Vorzugsweise wird der gasförmige Brennstoffmittels Hochdruckeindüsung durch Direkteinspritzung in den Brennraum eingebracht. Dabei beträgt ein Druck des gasförmigen Brennstoffs in einer Injektionseinrichtung in geschlossenem Zustand der Injektionseinrichtung bevorzugt mindestens 200 bar, bevorzugt mehr als 200 bar. Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, den gasförmigen Brennstoff auch noch zum Ende des Kompressionstakts und/oder während des Expansionstakts gegen den in dem Brennraum herrschenden Druck einzubringen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der gasförmige Brennstoff entflammt wird durch a) eine Zündkerze, b) eine Vorkammer-Zündung, und/oder durch c) einen Zündstrahl.
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Als Zündkerze wird bevorzugt insbesondere eine elektrische Funkenkerze, eine Korona-Zündkerze, oder eine Laser-Zündkerze – insbesondere ohne Vorkammer – verwendet. Mithilfe einer Zündkerze ist es in einfacher und sehr effektiver Weise möglich, den Zeitpunkt für das erste und/oder das zweite Entflammen sehr genau durch Ansteuern der Zündkerze zu bestimmen.
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Eine Vorkammer-Zündung ist mittels einer ungespülten Vorkammer ohne separate Brennstoffversorgung der Vorkammer oder mit einer gespülten Vorkammer mit separater Brennstoffversorgung der Vorkammer, möglich. Besonders effektiv ist eine Zündung mittels einer gespülten Vorkammer, welche eine der Vorkammer separat zugeordnete Brennstoffversorgung aufweist. Mittels einer Vorkammer kann in für sich genommen bekannter Weise eine Zündenergie für die Zündung eines Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs in einer Hauptkammer des Brennraums erhöht werden, wobei auch magere Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemische ohne die Gefahr von Zündaussetzern gezündet werden können. In der Vorkammer ist vorzugsweise eine Zündkerze angeordnet, oder die Vorkammer ist als Teil einer Vorkammer-Zündkerze, also einer integralen Anordnung aus einer Zündkerze mit einer Vorkammer, ausgebildet. Mittels einer gespülten Vorkammer kann noch sehr spät im Expansionstakt, insbesondere bis zum Öffnungszeitpunkt eines Auslassventils, eine Entflammung des expandierten gasförmigen Brennstoffs erreicht werden.
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Eine Entflammung mittels eines Zündstrahls sieht insbesondere vor, dass durch eine Zündstoff-Injektionseinrichtung ein Zündstoff in den Brennraum eingebracht wird, welcher eine höhere Zündwilligkeit aufweist als der gasförmige Brennstoff. Insbesondere ist der Zündstoff vorzugsweise geeignet zur Selbstzündung oder Kompressionszündung. Der Zündstoff kann als Zündöl oder als Zündverstärker ausgebildet sein. Insbesondere kann als Zündstoff Diesel oder Dimethylether in den Brennraum eingebracht werden. Der Zündstoff wird vorzugsweise zu einem Zeitpunkt innerhalb des Arbeitsspiels in den Brennraum eingebracht, zu dem Selbstzündungsbedingungen vorliegen, sodass der Zündstoff unmittelbar bei seiner Einbringung entzündet wird und in der Folge auch den gasförmigen Brennstoff entflammt. Dabei kann ein Zeitpunkt für das erste und/oder zweite Entflammen des gasförmigen Brennstoffs in einfacher und definierter Weise durch Wahl des Zeitpunkts der Eindüsung des Zündstoffs bestimmt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der gasförmige Brennstoff so in dem Kompressionstakt in den Brennraum eingebracht wird, dass sich ein teilhomogenes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch oder eine geschichtete Ladung in dem Brennraum ergibt. In diesem Fall ist insbesondere ein Otto-Brennverfahren mit teilhomogener oder geschichteter Ladung in dem Brennraum durchführbar. Der gasförmige Brennstoff wird dabei bevorzugt so früh in dem Kompressionstakt in den Brennraum eingebracht, dass sich bis zu einem Zündzeitpunkt, der typischerweise in zeitlicher Nähe zu dem Zünd-OT gewählt wird, ein teilhomogenes Gemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoff in dem Brennraum einstellt.
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Ein homogenes Otto-Verfahren kann insbesondere durchgeführt werden, wenn der gasförmige Brennstoff in dem Saugtakt in den Brennraum eingebracht wird.
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Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass der gasförmige Brennstoff so spät in dem Kompressionstakt und/oder in dem Expansionstakt in den Brennraum eingebracht wird, dass sich eine geschichtete Ladung in dem Brennraum ergibt, die insbesondere geeignet ist für ein Diffusionsbrennverfahren, insbesondere für ein Gas/Zündöl- oder Gas/Diesel-Diffusionsbrennverfahren.
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Durch entsprechende Wahl des Zeitpunkts der Einbringung des gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum kann also ein gewünschtes Brennverfahren eingestellt werden, sodass die mit dem entsprechenden Brennverfahren einhergehenden Vorteile bedarfsgerecht genutzt werden können. Bevorzugt ist ein Wechsel des Brennverfahrens durch Wechsel des Zeitpunkts der Einbringung des gasförmigen Brennstoffs in dem Brennraum möglich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der gasförmige Brennstoff zeitlich vor oder nach einem Zündstoff in den Brennraum eingebracht wird, wobei ein Diffusionsbrennverfahren durchgeführt wird. Insbesondere wird dabei bevorzugt der gasförmige Brennstoff unmittelbar vor oder unmittelbar nach dem Zündstoff in den Brennraum eingebracht. Der Zündstoff, der – wie bereits ausgeführt – eine höhere Zündwilligkeit als der gasförmige Brennstoff aufweist, entzündet sich unter Selbstzündungsbedingungen, wobei dann der in unmittelbarer Nähe zu einer Flammenfront von Zündstrahlen des Zündstoffs vorliegende gasförmige Brennstoff verbrannt wird, wobei die Kinetik der Verbrennungsreaktion in dem Brennraum diffusionskontrolliert abläuft, weil stets nur der Anteil des gasförmigen Brennstoffs verbrannt werden kann, welcher in die Flammenfront des Zündstoffs hinein diffundiert. Auf diese Weise kann eine sehr schonende Umsetzung des gasförmigen Brennstoffs ohne die Gefahr von Klopfen und einer damit einhergehenden Beeinträchtigung oder Beschädigung der Brennkraftmaschine verwirklicht werden. Insbesondere dadurch, dass in dem Brennraum bei einem Diffusionsbrennverfahren kein homogenes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch vorliegt, insbesondere weil der gasförmige Brennstoff in unmittelbarer zeitlicher Nähe zu dem Einbringen des Zündstoffs – nämlich vor oder nach diesem – in den Brennraum eingebracht wird, kann sich keine Flammenfront ausgehend von den Zündstrahlen in den Brennraum propagierend ausbreiten. Daher ist in diesem Fall die Kinetik der Verbrennungsreaktion durch die Diffusion des gasförmigen Brennstoffs in Flammkeulen des Zündstrahls gesteuert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Entflammen spätestens zu einem Öffnungszeitpunkt eines Auslassventils, vorzugsweise vor dem Öffnungszeitpunkt des Auslassventils durchgeführt wird. Es ist insbesondere bei Verwendung einer gespülten Vorkammer möglich, den expandierten gasförmigen Brennstoff noch bis zu einem Öffnungszeitpunkt des Auslassventils zu entflammen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Entflammen durchgeführt wird, wenn ein Druck in dem Brennraum ausgehend von einem Spitzendruck in dem Brennraum auf höchstens 50% des Spitzendrucks bis wenigstens 25% des Spitzendrucks, oder auf den Druck, der zum Öffnungszeitpunkt des Auslassventils herrscht, gefallen ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass jedenfalls ein Hauptteil von unter höherem Druck in einem Tot- oder Schadvolumen der Injektionseinrichtung vorhandenem gasförmigen Brennstoff in den Brennraum expandiert ist, bevor dieser restliche gasförmige Brennstoff entflammt wird. Somit wird die Effizienz der Vermeidung von Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe erhöht.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Druck in dem Brennraum auf höchstens 40% bis wenigstens 30% des Spitzendrucks gefallen ist, wenn das zweite Entflammen durchgeführt wird.
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Dies kann durch verschiedene Maßnahmen gewährleistet werden: Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, dass auf einem Prüfstand für die Brennkraftmaschine oder einen Prototyp der Brennkraftmaschine ein Kurbelwinkel innerhalb eines Arbeitsspiels bestimmt wird, bei welchem der Spitzendruck – gegebenenfalls betriebspunktabhängig – auf die hier genannten Werte beziehungsweise in die hier genannten Wertebereiche gefallen ist. Ein entsprechender Kurbelwinkel kann dann insbesondere in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine hinterlegt werden, sodass das zweite Entflammen bei diesem Kurbelwinkel durchgeführt werden kann. Es ist möglich, dass in einem Kennfeld eine Mehrzahl von insbesondere betriebspunktabhängig definierten, entsprechenden Kurbelwinkeln hinterlegt wird.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Druck in dem Brennraum mittels eines Drucksensors und/oder eines Körperschallsensors erfasst wird, wobei das zweite Entflammen insbesondere abhängig von dem erfassten Druck in dem Brennraum durchgeführt werden kann. Dabei wird insbesondere ein zeitabhängiger Druckverlauf erfasst, wobei bevorzugt der Spitzendruck erkannt und das zweite Entflammen durchgeführt wird, wenn der erfasste Druck auf ein bestimmtes Niveau oder in einen bestimmten Bereich unterhalb des Spitzendrucks gefallen ist.
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Der Zeitpunkt des zweiten Entflammens kann auch zeitlich an den Öffnungszeitpunkt des Auslassventils gekoppelt werden – vorzugsweise mit einer vorgebbaren, insbesondere negativen, Phasenverschiebung.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche einen Brennraum und einen in dem Brennraum verlagerbaren Kolben aufweist. Dem Brennraum ist eine Injektionseinrichtung zur Zuführung eines gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum zugeordnet. Weiterhin ist dem Brennraum eine Zündquelle zum Entflammen des gasförmigen Brennstoffs zugeordnet. Die Brennkraftmaschine weist ein Steuergerät auf, welches eingerichtet ist zur Ansteuerung der Injektionseinrichtung während eines Saugtakts, oder während eines Kompressionstakts und/oder während eines Expansionstakts, um gasförmigen Brennstoff in den Brennraum einzubringen. Das Steuergerät ist außerdem eingerichtet, um die Zündquelle zu einem ersten Zeitpunkt innerhalb eines Arbeitsspiels des Kolbens anzusteuern, um den gasförmigen Brennstoff zumindest teilweise zu entflammen. Weiterhin ist das Steuergerät eingerichtet, um die Zündquelle zu einem zweiten, zeitlich nach dem ersten Zeitpunkt innerhalb des Arbeitsspiels gelegenen Zeitpunkt anzusteuern, um expandierten gasförmigen Brennstoff zu entflammen, und um den expandierten gasförmigen Brennstoff spätestens zu einem Öffnungszeitpunkt eines Auslassventils zu entflammen, und/oder wenn ein Druck in dem Brennraum ausgehend von einem Spitzendruck auf höchstens 50% des Spitzendrucks gefallen ist. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Die Injektionseinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet zur Direkteinspritzung des gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum, wobei die Injektionseinrichtung bevorzugt als Injektor, insbesondere zur Direkteinspritzung, ausgebildet ist. Dabei ist die Injektionseinrichtung bevorzugt zumindest bereichsweise in dem Brennraum angeordnet, um gasförmigen Brennstoff direkt in den Brennraum einbringen zu können.
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Die Zündquelle ist vorzugsweise zumindest teilweise in dem Brennraum angeordnet, um den gasförmigen Brennstoff in dem Brennraum entzünden zu können.
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Das Steuergerät ist insbesondere mit der Injektionseinrichtung und mit der Zündquelle zu deren Ansteuerung wirkverbunden. Weiterhin ist das Steuergerät vorzugsweise mit einem Kurbelwinkelsensor und/oder mit einem Druck- oder Körperschallsensor wirkverbunden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zündeinrichtung als Zündkerze ausgebildet ist, insbesondere als elektrische Funkenkerze, als Korona-Zündkerze oder als Laserzündkerze. Alternativ oder zusätzlich weist die Zündeinrichtung bevorzugt eine Vorkammer auf, oder sie ist als Injektor für einen Zündstoff ausgebildet.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine zum Antrieb eines Personenkraftwagens, eines Lastkraftwagens oder eines Nutzfahrzeugs eingerichtet ist. 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, beispielsweese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, 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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Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen auf, insbesondere vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn, zwanzig oder vierundzwanzig Brennräume. Dabei ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine als Reihenmotor, als V-Motor oder als W-Motor, oder mit einer anderen geeigneten Konfiguration der Brennräume ausgebildet ist.
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Die Brennkraftmaschine ist besonders bevorzugt als Viertaktmotor ausgebildet.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welches eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Hierbei verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
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Das Steuergerät ist weiterhin bevorzugt so eingerichtet, wie dies in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurde.
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Es ist möglich, dass das Steuergerät als zentrales Steuergerät einer Brennkraftmaschine (Engine Control Unit – ECU) ausgebildet ist. Alternativ ist es auch möglich, dass ein separates Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen ist. Es ist auch möglich, dass zur Durchführung des Verfahrens eine Mehrzahl von Steuergeräten vorgesehen ist, welche miteinander in Wirkverbindung stehen und zur Durchführung des Verfahrens zusammenwirken.
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Das Verfahren ist vorzugsweise fest in eine elektronische Struktur, insbesondere eine Hardware-Struktur, des Steuergeräts implementiert. Alternativ oder zusätzlich ist in das Steuergerät bevorzugt ein Computerprogrammprodukt geladen, welche maschinenlesbare Anweisungen aufweist, aufgrund derer eine Ausführungsform des Verfahrens durchführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Steuergerät läuft.
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Entsprechend wird auch ein Computerprogramrnprodukt bevorzugt, welches maschinenlesbare Anweisungen aufweist, aufgrund derer ein Verfahren nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf einer Recheneinrichtung, insbesondere auf einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine läuft.
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Entsprechend wird auch ein Datenträger bevorzugt, welcher ein solches Computerprogrammprodukt aufweist.
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Es wird auch eine Brennkraftmaschine bevorzugt, welche ein Steuergerät gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist.
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Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschine sowie des Steuergeräts andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine und/oder dem Steuergerät beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Merkmale der Brennkraftmaschine und/oder des Steuergeräts, welche explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine und/oder des Steuergeräts. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, welcher durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine und/oder des Steuergeräts bedingt ist. Das Steuergerät und/oder die Brennkraftmaschine zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine, und
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2 eine schematische, diagrammatische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Brennraum 3, in dem ein Kolben 5 verlagerbar angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 1 ist insbesondere als Hubkolbenmotor ausgebildet. Dem Brennraum 3 sind wenigstens ein hier nicht dargestelltes Einlassventil insbesondere zum Einlassen von Verbrennungsluft in den Brennraum 3, und ein wenigstens ein ebenfalls nicht dargestelltes Auslassventil zum Auslassen von Abgas aus dem Brennraum 3 in für sich genommen bekannter Weise zugeordnet.
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Dem Brennraum 3 ist eine Injektionseinrichtung 7 zugeordnet, durch welche ein gasförmiger Brennstoff in den Brennraum 3 zuführbar ist. Die Injektionseinrichtung 7 ist vorzugsweise als Injektor, insbesondere als Hochdruckinjektor für den gasförmigen Brennstoff, ausgebildet. Dabei weist sie ein Sackloch 9 auf, welches stromabwärts eines Ventilsitzes 11 der Injektionseinrichtung 7 angeordnet ist. Das Sackloch 9 ist über wenigstens eine Überströmbohrung 13 mit dem Brennraum 3 in Fluidverbindung. Hebt eine Injektornadel 15 der Injektionseinrichtung 7 von dem Ventilsitz 11 ab, kann gasförmiger Brennstoff in das Sackloch 9 und aus diesem über die Überströmbohrungen 13 in den Brennraum 3 strömen.
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Die Injektionseinrichtung 7 wird im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 insbesondere so angesteuert, dass gasförmiger Brennstoff in einem Saugtakt, oder in einem Kompressionstakt und/oder während eines Expansionstakts in den Brennraum 3 eingebracht wird. Dabei oder kurz danach herrscht in diesem ein hoher und insbesondere steigender Druck, sodass eine Restmenge an gasförmigem Brennstoff in dem Sackloch 9 verbleibt. Während des Expansionstakts kann diese Restmenge an gasförmigem Brennstoff in den Brennraum 3 expandieren, nimmt aber dann typischerweise nicht mehr an der Verbrennung in dem Brennraum 3 teil.
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Dem Brennraum 3 ist eine Zündquelle 17 zugeordnet, welche zum Entflammen des gasförmigen Brennstoffs in dem Brennraum 3 eingerichtet ist. Die Zündquelle kann als Zündkerze, insbesondere als elektrische Funkenkerze, als Korona-Zündkerze oder als Laserzündkerze, als Vorkammer-Zündeinrichtung, insbesondere mit ungespülter oder mit gespülter Vorkammer, oder als Zündstoff-Injektionseinrichtung, ausgebildet sein.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem ein Steuergerät 19 auf, welches zumindest mit der Injektionseinrichtung 7 zu deren Ansteuerung und mit der Zündquelle 17 zu deren Ansteuerung wirkverbunden ist. Somit sind durch das Steuergerät 19 insbesondere ein Zeitpunkt zur Injektion des gasförmigen Brennstoffs in den Brennraum 3 sowie ein Zeitpunkt für eine Entflammung des gasförmigen Brennstoffs durch die Zündquelle 17 vorgebbar.
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Das Steuergerät 19 ist insbesondere eingerichtet, um die Injektionseinrichtung 7 so anzusteuern, dass der gasförmige Brennstoff während eines Saugtakts, während eines Kompressionstakts und/oder während eines Expansionstakts in den Brennraum 3 eingebracht wird. Weiterhin ist das Steuergerät 19 eingerichtet, um die Zündquelle 17 zu einem ersten Zeitpunkt innerhalb eines Arbeitsspiels des Kolbens 5 anzusteuern, um den gasförmigen Brennstoff zumindest teilweise zu entflammen, und um die Zündquelle 17 zu einem zweiten, zeitlich nach dem ersten Zeitpunkt innerhalb desselben Arbeitsspiels gelegenen Zeitpunkt anzusteuern, um expandierten gasförmigen Brennstoff zu entflammen.
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Somit ist es insbesondere möglich, den während des Expansionstakts aus dem Sackloch 9 expandierten, gasförmigen Brennstoff, welcher an der initialen Verbrennung nicht mehr teilnimmt, zu entflammen, und so die Emissionen der Brennkraftmaschine 1 an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu vermindern. Dabei können insbesondere Methanemissionen der Brennkraftmaschine 1 in deren Betrieb erheblich gesenkt werden. Die durch das zweite Entflammungsereignis und die damit verbundene Verbrennungsreaktion zusätzlich freigesetzte Wärme bringt eine vermehrte Enthalpie auf eine Turbine eines bevorzugt vorgesehenen Abgasturboladers, wodurch eine Energiemenge, welche ohne Nachzündung und Nachverbrennung einfach aus dem Abgasrohr ausströmen würde, von der Brennkraftmaschine 1 genutzt wird. Dies erhöht die Effizienz der Brennkraftmaschine 1.
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2 zeigt eine schematische, diagrammatische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens. Dabei ist hier ein Druck p in dem Brennraum 3 aufgetragen gegen einen Kurbelwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 in Grad Kurbelwellenwinkel (°KW). Eine in das Diagramm eingezeichnet Kurve K zeigt den Druckverlauf p in dem Brennraum 3 während eines Kompressionstakts und eines anschließenden Expansions- oder Arbeitstakts. Ausgewählte Zeitpunkte sind in dem Diagramm durch vertikale, gestrichelte Linien markiert.
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Zu einem ersten Zeitpunkt A wird ein Einlassventil zu dem Brennraum 3 geschlossen, worauf der Druck in dem Kompressionstakt ansteigt. Zu einem zweiten Zeitpunkt B erfolgt eine Entflammung, beispielsweise durch Direktzündung, Vorkammerzündung, oder durch Einbringen eines Zündöls in den Brennraum 3. Dabei wird ein oberer Totpunkt durch den Kolben 5 vorzugsweise kurz nach dem zweiten Zeitpunkt B erreicht. Der Druck in dem Brennraum 3 steigt daher ausgehend von dem zweiten Zeitpunkt B durch die Verbrennung an, jedoch aufgrund der Abwärtsbewegung des Kolbens 5 ausgehend von dem oberen Totpunkt mit verringerter Anstiegsrate.
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Die hier dargestellte Kurve K gibt ein Diffusionsbrennverfahren wieder, bei welchem zuerst ein Zündstoff in den Brennraum 3 eingebracht und danach der gasförmige Brennstoff in den Brennraum 3 eingebracht wird. Der gasförmige Brennstoff wird dabei zu einem dritten Zeitpunkt C eingebracht, wenn der Zündstoff bereits entflammt ist. Das erste Entflammen des gasförmigen Brennstoffs findet hier also zu dem dritten Zeitpunkt C statt. Ausgehend von diesem Zeitpunkt steigt daher der Druck indem Brennraum 3 stark an, durchläuft einen Spitzendruck, also ein Druckmaximum, und fällt danach wieder ab.
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Beispielhaft ist hier dargestellt, dass zu einem vierten Zeitpunkt D restlicher gasförmiger Brennstoff aus dem Sackloch 9 in den Brennraum 3 zu expandieren beginnt, also aus dem Sackloch 9 ausströmt.
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Besipielsweise zu einem fünften Zeitpunkt E, zu welchem der Druck ausgehend von dem Spitzendruck auf ein Niveau von ungefähr 50% des Spitzendrucks oder weniger gefallen ist, erfolgt ein zweites Entflammen des gasförmigen Brennstoffs, wobei hier insbesondere der aus dem Sackloch 9 ausgeströmte und in den Brennraum 3 expandierte gasförmige Brennstoff entflammt wird. Der Druck in dem Brennraum 3 fällt gleichwohl weiter ab, jedoch wird nun auch ein bisher unverbrannte Anteil des gasförmigen Brennstoffs verbrannt, sodass die Emissionen der Brennkraftmaschine 1 an unverbrannten Kohlenwasserstoffen vermindert und die ansonsten ungenutzt ausgeblasene Energie in einer Turbine eines Abgasturboladers der Brennkraftmaschine 1 nutzbar gemacht wird. Es ist insbesondere bei Verwendung einer gespülten Vorkammer auch möglich, den expandierten gasförmigen Brennstoff noch bis zu einem Öffnungszeitpunkt des Auslassventils zu entflammen.
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Zu einem sechsten Zeitpunkt F öffnet das dem Brennraum 3 zugeordnete Auslassventil.
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Insgesamt zeigt sich, dass mittels des Verfahrens Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen für die Brennkraftmaschine 1 erheblich gesenkt werden können. Außerdem ist es möglich, zusätzlich freigesetzte Wärme in Form von vermehrter Enthalpie auf eine Turbine eines Abgasturboladers zu bringen, die ansonsten einfach aus dem Abgasrohr ausströmen würde.
