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Die Erfindung betrifft eine Spüleinrichtung zum Spülen einer Vorkammer einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Spüleinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer solchen Spüleinrichtung.
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Brennkraftmaschinen werden zur Verbesserung einer Entflammung eines Brennstoff-Luft-Gemischs in einem Hauptbrennraum häufig mit Vorkammern ausgestattet. Typischerweise wird in der Vorkammer ein fetteres Brennstoff-Luft-Gemisch erzeugt, welches dort entflammt wird, wobei das entflammte Brennstoff-Luft-Gemisch in den Hauptbrennraum überströmt und dort ein magereres Brennstoff-Luft-Gemisch entflammt.
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Mit zunehmend magerem Brennstoff-Luft-Gemisch zum Betrieb der Brennkraftmaschine nimmt der Anteil an Stickoxiden, welcher in dem Hauptbrennraum erzeugt wird, gegenüber dem Anteil, welcher in der Vorkammer erzeugt wird, ab. So entsteht typischerweise bei Brennkraftmaschinen, welche mit einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis von etwa zwei betrieben werden, der überwiegende Teil der Stickoxide in der Vorkammer. Dort entstehen insbesondere bei stöchiometrischer Verbrennung oder beim Verbrennen fetter Gemische sehr hohe Temperaturen und damit große Mengen an Stickoxiden.
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Ein kleinerer Teil der Vorkammerstickoxide entsteht in einer Fackelphase beim Entflammen des Brennstoff-Luft-Gemischs in der Vorkammer. Ein deutlich größerer Anteil der Vorkammerstickoxide entsteht in einer Rückströmphase, wenn durch die Expansion nach der Entzündung des Brennstoff-Luft-Gemischs im Hauptbrennraum Restsauerstoff in die heiße Vorkammer zurückgeschoben wird. Aufgrund der hohen Temperatur und einer möglichen längeren Verweildauer in der Vorkammer können mit dem Restsauerstoff weitere Stickoxide gebildet werden.
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Zur signifikanten Reduktion von Stickoxidemissionen von Brennkraftmaschinen ist es somit wünschenswert, die Stickoxidbildung in der Rückströmphase zu verringern.
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Die europäische Patentanmeldung
EP 2 631 448 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer mit wenigstens einer gespülten Vorkammer versehenen Brennkraftmaschine. Hierbei wird ein Medium, vorzugsweise Wasser, in den Gasstrom, der durch Expansion bei einer Verbrennung im Hauptbrennraum in die Vorkammer einströmt, eingeleitet, um die Vorkammer zu kühlen und die Stickoxidbildung in der Vorkammer dadurch zu verringern. Bei diesem Verfahren ist die Zuführung eines zusätzlichen Mediums zum Betrieb der Brennkraftmaschine erforderlich, was mit einem zusätzlichen konstruktiven Aufwand sowie mit erhöhten Betriebskosten verbunden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spüleinrichtung zum Spülen einer Vorkammer einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Spüleinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer solchen Spüleinrichtung 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 eine Spüleinrichtung zum Spülen einer Vorkammer einer Brennkraftmaschine geschaffen wird. Die Spüleinrichtung weist einen Pufferspeicher auf, wobei der Pufferspeicher mit einem ersten Fluidpfad und mit einem zweiten Fluidpfad fluidverbunden ist. Der erste Fluidpfad ist eingerichtet, mit einem Hauptbrennraum einer Brennkraftmaschine, welcher einer zu spülenden Vorkammer zugeordnet ist, fluidverbunden zu werden. In dem ersten Fluidpfad ist eine erste Ventileinrichtung vorgesehen, welche eingerichtet ist zum Sperren und Freigeben des ersten Fluidpfads. Der zweite Fluidpfad ist eingerichtet, mit der zu spülenden Vorkammer fluidverbunden zu werden. In dem zweiten Fluidpfad ist eine zweite Ventileinrichtung vorgesehen, welche eingerichtet ist zum Sperren und Freigeben des zweiten Fluidpfads. Die Spüleinrichtung weist Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Dadurch, dass die Vorkammer eingerichtet ist, mit einem Fluid gespült zu werden, ist es insbesondere möglich, in der Vorkammer ein Temperaturniveau zu senken und eine Stickoxidbildung zu verringern. Dabei bedarf es allerdings keines zusätzlichen Mediums, vielmehr kann das Fluid über den ersten Fluidpfad dem Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine entnommen und der Vorkammer zugeführt werden. Insbesondere ist es möglich, der Vorkammer in dem Pufferspeicher zwischengespeichertes und vorzugsweise gekühltes Abgas aus dem Hauptbrennraum als Fluid zur Senkung des Temperaturniveaus in der Vorkammer zuzuführen.
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Der erste Fluidpfad mündet bevorzugt über eine Auslassöffnung in den Pufferspeicher. Der zweite Fluidpfad mündet bevorzugt über eine Einlassöffnung in den Pufferspeicher. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass der erste Fluidpfad über eine Einlassöffnung in den Hauptbrennraum mündet. Dabei ist es bevorzugt möglich, dass der zweite Fluidpfad unmittelbar über eine Auslassöffnung desselben in die Vorkammer mündet. Es wird besonders bevorzugt, dass der zweite Fluidpfad mittelbar, beispielsweise über einen weiteren Fluidpfad, mit der Vorkammer verbunden ist, wobei der beispielsweise eine weitere Fluidpfad über eine Auslassöffnung desselben in die Vorkammer mündet.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet, vorzugsweise als Magergasmotor. Besonders bevorzugt ist die Brennkraftmaschine als gemischverdichtender Gasmotor ausgebildet.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Pufferspeicher ein Innenraumvolumen auf, welches in etwa einem Innenraumvolumen der Vorkammer entspricht. Dadurch wird insbesondere eine vollständige Spülung der Vorkammer sichergestellt.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Spüleinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die erste Ventileinrichtung ein Rückschlagventil ist. Das Rückschlagventil ist vorzugsweise in Richtung des Hauptbrennraums in eine geschlossene Funktionsstellung vorgespannt. In diesem Fall handelt es sich bei dem Rückschlagventil vorzugsweise um ein mediumbetätigtes Ventil, insbesondere ein eigenmediumbetätigtes Ventil. In einfacher Weise kann dadurch ein Befüllen des Pufferspeichers realisiert werden. Es ist auch möglich, dass die erste Ventileinrichtung ansteuerbar ausgestaltet ist, wobei die erste Ventileinrichtung beispielsweise ein elektromotorisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigtes Ventil sein kann.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Spüleinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Pufferspeicher eingerichtet ist zur Kühlung eines darin angeordneten Fluids. Vorzugsweise ist der Pufferspeicher eingerichtet, Wärme von dem Fluid an die Umgebung des Pufferspeichers abzugeben und zusätzlich oder alternativ Wärme an eine Kühleinrichtung, welche eingerichtet ist zur Kühlung des Fluids, abzugeben. Mittels Kühlung des Fluids wird die Effektivität der Spülung der Vorkammer und der Senkung der Temperatur in derselben vorteilhaft erhöht.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Spüleinrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die zweite Ventileinrichtung ein ansteuerbares Ventil ist. Vorzugsweise ist die zweite Ventileinrichtung in Abhängigkeit eines Kurbelwinkels eines in dem Hauptbrennraum verlagerbar angeordneten Kolbens oder eines Brennraumdrucks in dem Hauptbrennraum ansteuerbar. Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Spüleinrichtung, bei welchem die zweite Ventileinrichtung sowohl in Abhängigkeit des Kurbelwinkels als auch in Abhängigkeit des Brennraumdrucks ansteuerbar ist. Die zweite Ventileinrichtung ist vorzugsweise als elektromotorisch, elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch ansteuerbare Ventileinrichtung ausgebildet. Bevorzugt wird die Ausgestaltung der zweiten Ventileinrichtung als 2/2-Wegeventil, beispielsweise mit einer elektromotorischen, elektromagnetischen, hydraulischen oder pneumatischen Betätigung. Durch die Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung ist es möglich, einen Spülvorgang in der Vorkammer zeitlich, insbesondere in Abhängigkeit relevanter Zustands- und/oder Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine, zu steuern und die Effektivität des Spülvorgangs vorteilhaft zu beeinflussen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum geschaffen wird, welcher in einen Hauptbrennraum und in eine Vorkammer unterteilt ist. Die Brennkraftmaschine kann insgesamt einen oder mehrere solcher – vorzugsweise identischer – Brennräume aufweisen. Die Brennkraftmaschine weist eine Spüleinrichtung gemäß einem der bereits beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Dabei ist der Pufferspeicher über den ersten Fluidpfad mit dem Hauptbrennraum fluidverbunden. Der Pufferspeicher ist weiterhin über den zweiten Fluidpfad mit der Vorkammer fluidverbunden. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Spüleinrichtung erläutert wurden. Der Hauptbrennraum ist vorzugsweise über wenigstens einen Überströmkanal mit der Vorkammer fluidverbunden.
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Es möglich, dass die Vorkammer integral mit einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgebildet ist, wobei sie insbesondere als Kammer in dem Zylinderkopf ausgebildet sein kann.
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Alternativ ist es möglich, dass die Vorkammer als von dem Zylinderkopf separates Bauteil ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, dass die Vorkammer Teil einer Vorkammer-Zündeinrichtung, insbesondere einer Vorkammer-Zündkerze ist. Die Vorkammerhalteeinrichtung kann beispielsweise als Wasserhülse ausgebildet sein, an welcher die Vorkammer befestigt ist. In diesem Fall ist die Zündeinrichtung in der Wasserhülse angeordnet, insbesondere in diese eingeschraubt.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine eine Sensoreinrichtung auf, welche eingerichtet ist, den Kurbelwinkel einer Kurbelwelle zu erfassen und zur Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung bereitzustellen. Zusätzlich oder alternativ ist die Sensoreinrichtung eingerichtet, einen Brennraumdruck in dem Hauptbrennraum zu erfassen und zur Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung bereitzustellen. Bevorzugt ist die Sensoreinrichtung eingerichtet, den Kurbelwinkel und zusätzlich oder alternativ den Brennraumdruck in dem Hauptbrennraum einer Steuereinrichtung zum Ansteuern der zweiten Ventileinrichtung zuzuführen.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Pufferspeicher in einem dem Brennraum zugeordneten Zylinderkopf angeordnet ist. Durch diese konstruktive Anordnung lässt sich in einfacher Weise eine Kühlung des Pufferspeichers, insbesondere des darin befindlichen Fluids, realisieren, da Zylinderköpfe der hier angesprochenen Art in einem Innenbereich derselben typischerweise im Betrieb Temperaturen zwischen 80 °C und 90 °C aufweisen. Da das in dem Pufferspeicher befindliche Fluid im Betrieb in der Regel eine deutlich höhere Temperatur aufweist, kann eine einfache Wärmeabgabe von dem Pufferspeicher an dessen Umgebung realisiert werden.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, welche zur Kühlung des in dem Pufferspeicher befindlichen Fluids eingerichtet ist. Mittels dieser Kühleinrichtung kann die bereits beschriebene, aufgrund einer Anordnung des Pufferspeichers in dem Zylinderkopf realisierte, Wärmeabführung unterstützt, ergänzt oder ersetzt werden. Besonders bevorzugt ist ein Kühlkanal in einem räumlichen Bereich um den Pufferspeicher angeordnet, welcher im Betrieb von einem Kühlmedium durchströmt ist. Eine solche Kühleinrichtung lässt sich mit geringem konstruktivem Aufwand realisieren, da typischerweise im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine bereits eine Kühlung vorgesehen ist, wobei die bestehende Kühlung als Basis für die Kühleinrichtung für den Pufferspeicher genutzt werden kann. Beispielsweise kann ein Kühlkanal der dem Pufferspeicher zugeordneten Kühleinrichtung in einfacher Weise mit einem Kühlkanal der in dem Zylinderkopf vorgesehenen Kühlung fluidverbunden werden. Besonders bevorzugt ist die Kühleinrichtung eingerichtet zur Steuerung oder Regelung einer Temperatur des in dem Pufferspeicher angeordneten Fluids.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Vorkammer als gespülte Vorkammer ausgebildet ist, wobei der Vorkammer ein separater Brennstoffzuführkanal zur Zuführung von Brennstoff in die Vorkammer zugeordnet ist. Vorzugsweise wird der Vorkammer reiner Brennstoff zugeführt. Der zweite Fluidpfad mündet vorzugsweise in den Brennstoffzuführkanal stromaufwärts einer Mündung des Brennstoffzuführkanals in die Vorkammer. Eine derartige – mittelbare – Verbindung des zweiten Fluidpfads über einen Abschnitt des Brennstoffzuführkanals mit der Vorkammer ist insbesondere vorteilhaft, da neben einer Kühlung der Vorkammer auch eine Kühlung und Spülung des Brennstoffzuführkanals – zumindest abschnittsweise – realisiert werden kann, worauf im Folgenden noch eingegangen wird.
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Vorzugsweise ist eine Brennstoffzuführkanalventileinrichtung stromaufwärts – in Strömungsrichtung des Brennstoffs gesehen – der Mündung des zweiten Fluidpfads in den Brennstoffzuführkanal angeordnet. Die Brennstoffzuführkanalventileinrichtung dient insbesondere zum Sperren und Freigeben des Brennstoffzuführkanals. Die Auslegung der Brennstoffzuführkanalventileinrichtung erfolgt insbesondere unter Berücksichtigung der Auslegung der Brennkraftmaschine, beispielsweise des Ladedrucks, des Brennstoffversorgungsdrucks und des Durchflussquerschnitts in dem Brennstoffzuführkanal.
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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, beispielswiese 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 Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, wobei die Brennkraftmaschine einen Brennraum aufweist, der in einen Hauptbrennraum und in eine Vorkammer unterteilt ist. Die Brennkraftmaschine kann einen solchen Brennraum oder mehrere solcher – vorzugsweise identischer – Brennräume aufweisen. Die Brennkraftmaschine weist eine Spüleinrichtung zum Spülen der Vorkammer auf. Besonders bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens eine Brennkraftmaschine mit einer Spüleinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele betrieben.
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In dem Verfahren wird in einem ersten Zeitintervall in einem ersten Arbeitsspiel eines in dem Hauptbrennraum verlagerbar angeordneten Kolbens Abgas aus dem Hauptbrennraum in einen Pufferspeicher eingeleitet. In einem zweiten Zeitintervall wird das Abgas in dem Pufferspeicher gespeichert. Schließlich wird in einem dritten Zeitintervall in einem zweiten Arbeitsspiel des Kolbens der Vorkammer Abgas aus dem Pufferspeicher zugeführt. Im Rahmen des Verfahrens ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Spüleinrichtung und der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
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Das erste Arbeitsspiel und das zweite Arbeitsspiel folgen vorzugsweise direkt aufeinander. Das erste Zeitintervall befindet sich vorzugsweise in der zeitlichen Umgebung eines oberen Totpunktes des Kolbens, der einem Entflammungsereignis zugeordnet ist. Dieser obere Totpunkt wird auch als Zünd-Oberer-Totpunkt (Zünd-OT) bezeichnet.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine in einem den Hauptbrennraum mit dem Pufferspeicher verbindenden ersten Fluidpfad angeordnete, erste Ventileinrichtung in eine Offenstellung verlagert wird, wenn ein Brennraumdruck in dem Hauptbrennraum einen Innendruck in dem Pufferspeicher erreicht oder übersteigt. Dies geschieht vorzugsweise zu Beginn des ersten Zeitintervalls. In der Offenstellung, das heißt vorzugsweise während des ersten Zeitintervalls, gibt die erste Ventileinrichtung den ersten Fluidpfad frei. Das Abgas wird insbesondere mit einem Druck in den Pufferspeicher eingeleitet, welcher dem Brennraumdruck in dem Hauptbrennraum entspricht. Die erste Ventileinrichtung bleibt in dem ersten Arbeitsspiel des Kolbens insbesondere so lange in ihrer Offenstellung, bis der Brennraumdruck in dem Hauptbrennraum ein Druckmaximum erreicht. Fällt der Brennraumdruck wieder ab, wird die erste Ventileinrichtung – bevorzugt zum Ende des ersten Zeitintervalls – vorzugsweise in eine Geschlossenstellung verlagert, wobei in dem Pufferspeicher ein Innendruck gehalten werden kann, welcher dem Druckmaximum in dem Hauptbrennraum entspricht.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das in dem Pufferspeicher angeordnete Abgas gekühlt wird. Besonders bevorzugt wird das Abgas in dem Pufferspeicher auf eine Temperatur von weniger als 270 °C gekühlt. Auf diese Weise kann besonders effektiv eine Stickoxidbildung in der Vorkammer verringert werden, da über den Überströmkanal aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer strömender Restsauerstoff vorzugsweise nicht, oder nur in verringertem Maße, mit in der Vorkammer befindlichem Stickstoff unter Bildung von Stickoxid reagieren kann.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine in einem den Pufferspeicher mit der Vorkammer verbindenden zweiten Fluidpfad angeordnete zweite Ventileinrichtung angesteuert wird. Die zweite Ventileinrichtung wird dabei nach einem Zündzeitpunkt, der insbesondere durch Zündung mittels einer Zündeinrichtung in der Vorkammer definiert ist, und zum Ende einer Fackelphase, vorzugsweise vor einem dem Zündzeitpunkt zugeordneten oberen Totpunkt des Kolbens, in eine Offenstellung angesteuert. Unter einer Fackelphase wird ein Zeitintervall in einem Arbeitsspiel des Kolbens verstanden, in welchem das vorzugsweise fette Brennstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer verbrennt und über einen Überströmkanal aus der Vorkammer – quasi in Form von Fackeln – in den Hauptbrennraum strömt. Die Fackelphase beginnt vorzugsweise mit dem Zündzeitpunkt. Sie endet vorzugsweise, wenn ein Strom entflammten angefetteten Brennstoff-Luft-Gemischs aus der Vorkammer in den Hauptbrennraum endet.
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Befindet sich die zweite Ventileinrichtung in der Offenstellung, strömt vorzugsweise gekühltes Abgas aus dem Pufferspeicher in die Vorkammer und verringert dort die Temperatur des darin befindlichen Fluids und zusätzlich oder alternativ die Temperatur der Vorkammer, insbesondere einer Innenwand derselben. Die Verringerung der Temperatur in der Vorkammer ist vorteilhaft, weil hierdurch eine Bildung von Stickoxiden zumindest reduziert werden kann, insbesondere wenn durch eine Expansion nach Entflammung eines Brennstoff-Luft-Gemischs im Hauptbrennraum Restsauerstoff in die Vorkammer durch den Überströmkanal geschoben wird, und dort mit Stickstoff zusammentrifft. In diesem Zusammenhang kann sich zudem eine Inertisierung der Vorkammer durch Zuführung des Abgases als vorteilhaft hinsichtlich einer verringerten Bildung von Stickoxiden erweisen.
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Als Brennstoff wird vorzugsweise ein Brenngas verwendet, insbesondere ein methanhaltiges Brenngas, besonders bevorzugt Erdgas. Es ist möglich, dass als Brennstoff verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas – LNG) oder komprimiertes Erdgas (Compressed Natural Gas – CNG) verwendet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens strömt Abgas in dem dritten Zeitintervall aus dem Pufferspeicher in einen Brennstoffzuführkanal, welcher zur Zuführung von Brennstoff in die Vorkammer dient. Durch Zuführung von Brennstoff in die Vorkammer wird vorzugsweise ein stöchiometrisches oder fettes Verbrennungsluftverhältnis in der Vorkammer realisiert. Besonders bevorzugt wird ein Verbrennungsluftverhältnis von etwa 1 verwirklicht.
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Das Abgas strömt vorzugsweise in den Brennstoffzuführkanal stromaufwärts einer Mündung des Brennstoffzuführkanals in die Vorkammer und spült in dem Brennstoffzuführkanal befindliches, insbesondere unverbranntes restliches Brenngas aus. Dies kann einerseits insofern vorteilhaft sein, als dieses Brenngas noch einem zu diesem Zeitpunkt ablaufenden Verbrennungsprozess insbesondere in dem Hauptbrennraum zugeführt und verbrannt werden kann.
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Andererseits erweist sich eine Zuführung von – vorzugsweise gekühltem – Abgas in den Brennstoffzuführkanal insbesondere insofern als vorteilhaft, als eine Rußbildung zumindest bereichsweise in dem Brennstoffzuführkanal und/oder in der Vorkammer reduziert werden kann.
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Das Abgas aus dem Pufferspeicher bildet in dem Brennstoffzuführkanal quasi eine thermische Trennschicht insbesondere zwischen einer Mündung desselben in die Vorkammer und einem Abschnitt des Brennstoffzuführkanals stromaufwärts seiner Mündung in die Vorkammer. Insbesondere kann auf diese Weise ein Abschnitt des Brennstoffzuführkanals vorzugsweise von dessen Mündung in die Vorkammer bis zu der Mündung des zweiten Fluidpfads in den Brennstoffzuführkanal, besonders bevorzugt bis zu einer Brennstoffzuführkanalventileinrichtung, thermisch isoliert werden. Durch die thermische Trennschicht und mithin eine vorteilhafte Senkung der Temperatur in dem Brennstoffzuführkanal kann eine Rußbildung in dem Brennstoffzuführkanal verringert oder gar verhindert werden.
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Darüber hinaus wird vorzugsweise durch die Zuführung von Abgas aus dem zweiten Fluidpfad in den Brennstoffzuführkanal ein Strömen von Sauerstoff aus der Vorkammer in den Brennstoffzuführkanal verringert oder gar verhindert. Somit kann eine Verbrennung von in dem Brennstoffzuführkanal befindlichem Brennstoff vorzugsweise verhindert oder zumindest verringert werden, wobei eine Rußbildung vorteilhaft verhindert oder verringert wird.
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Auch ein möglicher Eintrag von Ruß aus dem Brennstoffzuführkanal in die Vorkammer kann auf diese Weise verringert oder gar verhindert werden.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die zweite Ventileinrichtung in eine Geschlossenstellung angesteuert wird, bevor der dem Zündzeitpunkt zugeordnete obere Totpunkt erreicht ist. Auf diese Weise wird vorzugsweise sichergestellt, dass die Vorkammer auf eine die Stickstoffbildung reduzierende oder verhindernde Temperatur gekühlt wird, bevor durch die Expansion nach der Entflammung des Brennstoff-Luft-Gemischs in dem Hauptbrennraum Restsauerstoff in die Vorkammer zurückgeschoben werden kann.
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Die Beschreibung der Spüleinrichtung und der Brennkraftmaschine, die hier auch als Vorrichtungen bezeichnet werden, einerseits sowie des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Vorrichtungen, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtungen. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit den Vorrichtungen erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, welcher durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtungen bedingt ist. Die Vorrichtungen 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 Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einer Spüleinrichtung, und
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2 eine schematische Darstellung eines Verlaufs einer Stickoxidbildung über einem Kurbelwinkel.
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1 zeigt eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Brennraum 3, der in einen Hauptbrennraum 5 und in eine Vorkammer 7 unterteilt ist. Über ein Einlassventil 9 kann ein Brennstoff-Luft-Gemisch dem Hauptbrennraum 5 zugeführt werden, welches durch einen Einlass E einströmt. In einem Kanal stromaufwärts eines Verschlussteils 10 des Einlassventils 9 herrscht ein Ladedruck pL. In dem Hauptbrennraum 5 ist ein verlagerbar angeordneter Kolben 11 angeordnet, welcher mit einem Pleuel 13 wirkverbunden ist. Das Brennstoff-Luft-Gemisch kann aus dem Hauptbrennraum 5 über einen Auslass A ausströmen, welcher durch ein Auslassventil 15 sperr- und freigebbar ist.
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Die Vorkammer 7 weist wenigstens einen Überströmkanal 17 auf, mittels dessen die Vorkammer 7 mit dem Hauptbrennraum 5 fluidverbunden ist. Weiterhin ist eine Zündeinrichtung 19 vorgesehen, insbesondere eine Zündkerze, welche eingerichtet ist, ein in der Vorkammer 7 befindliches Brennstoff-Luft-Gemisch zu entflammen. Die Vorkammer 7 wird vorzugsweise mittels einer Vorkammerhalteeinrichtung 21 in einem Zylinderkopf 23 der Brennkraftmaschine 1 gehalten.
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Im Übrigen ist es möglich, dass die Vorkammer 7 integral mit dem Zylinderkopf 23 ausgebildet ist, wobei sie insbesondere als Kammer in dem Zylinderkopf 23 ausgebildet sein kann. Alternativ ist es möglich, dass die Vorkammer 7 als von dem Zylinderkopf 23 separates Bauteil ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, dass die Vorkammer 7 Teil einer Vorkammer-Zündeinrichtung, insbesondere einer Vorkammer-Zündkerze ist. Die Vorkammerhalteeinrichtung 21 kann beispielsweise als Wasserhülse ausgebildet sein, an welcher die Vorkammer 7 befestigt ist. In diesem Fall ist die Zündeinrichtung 19 in der Wasserhülse angeordnet, insbesondere in diese eingeschraubt.
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Über einen Brennstoffzuführkanal 25 kann der Vorkammer 7 – vorzugsweise reiner – Brennstoff, vorzugsweise Brenngas, besonders bevorzugt Erdgas, zuführt werden. In dem Brennstoffzuführkanal 25 ist eine Brennstoffzuführkanalventileinrichtung 27 angeordnet, welche zum Sperren und Freigeben des Brennstoffzuführkanals 25 ausgebildet ist. In 1 ist die Brennstoffzuführkanalventileinrichtung 27 als Rückschlagventil ausgebildet, welches in die der Vorkammer abgewandte Richtung des Brennstoffzuführkanals 25 in eine geschlossene Funktionsstellung vorgespannt ist. Es ist also möglich, bei Erzeugen eines Brennraumdrucks pB in dem Hauptbrennraum 5, welcher insbesondere um ein bestimmtes Maß kleiner ist als ein Brennstoffdruck pG stromaufwärts der Brennstoffzuführkanalventileinrichtung 27, beispielsweise in einem Ansaugtakt des Kolbens 11, Brennstoff durch den Brennstoffzuführkanal 25 über die Brennstoffzuführkanalventileinrichtung 27 in die Vorkammer 7 einströmen zu lassen. Es wird mithin eine gespülte Vorkammer 7 verwirklicht.
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Vorzugsweise wird in der Vorkammer 7 ein stöchiometrisches oder fettes Brennstoff-Luft-Gemisch bereitgestellt, welches mittels der Zündeinrichtung 19 entflammbar ist. Durch Entflammung dieses Brennstoff-Luft-Gemischs, welches hier vorzugsweise ein Verbrennungsluftverhältnis von etwa 1 aufweist, strömt das Brennstoff-Luft-Gemisch – quasi als Fackelstrahlen – durch den Überströmkanal 17 in den Hauptbrennraum 5 und entflammt das dort vorliegende, vorzugsweise magere Brennstoff-Luft-Gemisch. Durch eine Expansion nach der Entflammung des Brennstoff-Luft-Gemischs in dem Hauptbrennraum 5 wird insbesondere Restsauerstoff in die Vorkammer 7 durch den Überströmkanal 17 zurückgeschoben. In der Vorkammer 7 kann es nun insbesondere bei hohen Temperaturen und einer langen Verweilzeit zu einer vermehrten Stickoxidbildung kommen.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist daher eine Spüleinrichtung 29 zum Spülen der Vorkammer 7 auf, welche einen Pufferspeicher 31 aufweist. Der Pufferspeicher 31 ist mit einem ersten Fluidpfad 33 und mit einem zweiten Fluidpfad 35 fluidverbunden.
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Der erste Fluidpfad 33 ist mit dem Hauptbrennraum 5 der Brennkraftmaschine 1, welcher der Vorkammer 7 zugeordnet ist, fluidverbunden. Insbesondere erstreckt sich der erste Fluidpfad 33 zwischen einer Einlassöffnung 36 und einer Auslassöffnung 36‘ desselben. In dem ersten Fluidpfad 33 ist eine erste Ventileinrichtung 37 vorgesehen, welche eingerichtet ist zum Sperren und Freigeben des ersten Fluidpfads 33.
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Der zweite Fluidpfad 35 ist mit der Vorkammer 7 fluidverbunden. Der zweite Fluidpfad 35 mündet mit einer Einlassöffnung 38 in den Pufferspeicher 31. In dem zweiten Fluidpfad 35 ist eine zweite Ventileinrichtung 39 vorgesehen, welche eingerichtet ist zum Sperren und Freigeben des zweiten Fluidpfads 35.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Pufferspeicher 31 über den zweiten Fluidpfad 35 mittelbar mit der Vorkammer 7 fluidverbunden, wobei der zweite Fluidpfad 35 mit einer Mündung 40 in einen Endabschnitt 41 des Brennstoffzuführkanals 25 einmündet. Der Endabschnitt 41 des Brennstoffzuführkanals 25 erstreckt sich zwischen der Mündung 40 des zweiten Fluidpfads 35 in den Brennstoffzuführkanal 25 und einer Mündung 43 des Brennstoffzuführkanals 25 in die Vorkammer 7. In diesem Fall erstreckt sich der zweite Fluidpfad 35 zwischen der Einlassöffnung 38 und einer Auslassöffnung an der Mündung 40. Der Pufferspeicher 31 ist mithin über den zweiten Fluidpfad 35 und den Endabschnitt 41 des Brennstoffzuführkanals 25 mit der Vorkammer 7 fluidverbunden. Es ist aber auch möglich, dass der Pufferspeicher 31 über den zweiten Fluidpfad 35 unmittelbar mit der Vorkammer 7 fluidverbunden ist. In diesem Fall würde der zweite Fluidpfad 35 über eine Auslassöffnung direkt in die Vorkammer 7 münden.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Ventileinrichtung 37 als Rückschlagventil ausgebildet. Dieses ist vorzugsweise, wie in 1 dargestellt, in Richtung des Hauptbrennraums 5 in eine geschlossene Funktionsstellung vorgespannt. Eine alternative Ausgestaltung der ersten Ventileinrichtung 37, beispielsweise als ansteuerbares Ventil, ist möglich.
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Der Pufferspeicher 31 ist vorzugsweise eingerichtet zur Kühlung eines darin befindlichen Fluids. Der Pufferspeicher 31 ist – wie bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel – vorzugsweise in dem Zylinderkopf 23 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet. Dies ist insofern vorteilhaft, als der Zylinderkopf 23 in einem inneren Bereich typischerweise Temperaturen zwischen 80 °C und 90 °C aufweist, wohingegen ein in den Pufferspeicher 31 eingebrachtes Fluid typischerweise eine deutlich höhere Temperatur aufweist, sodass eine Wärmeableitung aus dem Pufferspeicher 31, insbesondere dem Fluid, an die Umgebung, mithin den Zylinderkopf 23, möglich ist. Besonders bevorzugt weist jedoch die Spüleinrichtung 29 eine separate Kühleinrichtung auf, welche zur Kühlung des in dem Pufferspeicher 31 befindlichen Fluids eingerichtet ist. Die Kühleinrichtung ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel nicht dargestellt. Sie weist vorzugsweise mindestens einen Kühlkanal in einem Bereich des Pufferspeichers 31 auf, durch welchen vorzugsweise ein Kühlmedium geführt wird. Besonders bevorzugt wird eine Kühleinrichtung, welche eingerichtet ist zur Steuerung oder Regelung einer Temperatur des in dem Pufferspeicher 31 befindlichen Fluids. Auf diese Weise lässt sich eine Kühlung der Vorkammer 7 mittels des Fluids aus dem Pufferspeicher 31 in Abhängigkeit relevanter Prozess- und Betriebszustände der Brennkraftmaschine 1 effektiv realisieren.
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Die zweite Ventileinrichtung 39 ist vorzugsweise ein ansteuerbares Ventil. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite Ventileinrichtung 39 als 2/2-Wegeventil ausgestaltet. Dieses sperrt in einer ersten Funktionsstellung den zweiten Fluidpfad 35. In einer zweiten Funktionsstellung ist der zweite Fluidpfad 35 freigegeben, wobei ein Fluid aus dem Pufferspeicher 31 in Richtung der Vorkammer 7 strömen kann. Die zweite Ventileinrichtung 39 wird vorzugsweise in Abhängigkeit eines Kurbelwinkels und/oder in Abhängigkeit des Brennraumdrucks pB in dem Hauptbrennraum 5 angesteuert. Bevorzugt weist die Brennkraftmaschine 1 eine Sensoreinrichtung auf, welche eingerichtet ist zur Ermittlung des Kurbelwinkels und zusätzlich oder alternativ des Brennraumdrucks pB, wobei diese Daten zur Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung 39, insbesondere einer Einrichtung zum Ansteuern der zweiten Ventileinrichtung 39, bereitgestellt werden.
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Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine 1 mit der Spüleinrichtung 29 wird vorzugsweise in einem ersten Zeitintervall in einem ersten Arbeitsspiel des in dem Brennraum 5 verlagerbar angeordneten Kolbens 11 Abgas aus dem Hauptbrennraum 5 in den Pufferspeicher 31 eingeleitet. Hierbei ist die in dem ersten Fluidpfad 33 angeordnete erste Ventileinrichtung 37 in eine Offenstellung verlagert, sodass der erste Fluidpfad 33 freigegeben ist. Die erste Ventileinrichtung 37 befindet sich vorzugsweise solange in der Offenstellung, solange der Brennraumdruck pB in dem Hauptbrennraum 5 einen Innendruck pP in dem Pufferspeicher 31 erreicht oder übersteigt. Insbesondere erreicht der Innendruck pP in dem Pufferspeicher 31 einen Druck, der dem maximalen Brennraumdruck pB in dem Hauptbrennraum entspricht. Sinkt der Brennraumdruck pB in dem Hauptbrennraum 5 nach Erreichen des Maximums wieder ab, wird die erste Ventileinrichtung 37 in eine Geschlossenstellung verlagert, sodass vorzugsweise der Innendruck pP in dem Pufferspeicher dem maximalen Brennraumdruck pB in dem Hauptbrennraum entspricht.
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In einem zweiten Zeitintervall wird das Abgas in dem Pufferspeicher 31 gespeichert. Der Pufferspeicher 31 ist vorzugsweise eingerichtet, ein bestimmtes Druckniveau des darin befindlichen Fluids zu erhalten, bis, insbesondere gesteuert durch die zweite Ventileinrichtung 39, ein Ausströmen des Fluids realisiert wird. Wie bereits beschrieben, wird vorzugsweise das in dem Pufferspeicher 31 befindliche Abgas gekühlt.
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In einem dritten Zeitintervall in einem zweiten Arbeitsspiel des Kolbens 11 wird der Vorkammer 7 Abgas aus dem Pufferspeicher 31 zugeführt. Dazu wird die zweite Ventileinrichtung 39 in eine Offenstellung angesteuert. Die Ansteuerung in die Offenstellung erfolgt vorzugsweise nach einem insbesondere durch die Zündeinrichtung 19 definierten Zündzeitpunkt in der Vorkammer 7, wobei eine Fackelphase vorzugsweise abgeschlossen ist. Vorzugsweise beginnt die Fackelphase mit dem Zündzeitpunkt und endet, wenn ein Strom entflammten Brennstoff-Luft-Gemischs aus der Vorkammer 7 in den Hauptbrennraum 5 endet. Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung der zweiten Ventileinrichtung 39 in die Offenstellung vor einem dem Zündzeitpunkt zugeordneten oberen Totpunkt des Kolbens 11. In dem dritten Zeitintervall wird also vorzugsweise gekühltes Abgas aus dem Pufferspeicher 31 der Vorkammer 7 zugeführt. Durch dieses Spülen der Vorkammer 7 mit dem vorzugsweise gekühlten Abgas wird die Temperatur in der Vorkammer 7, insbesondere die Temperatur des darin befindlichen Brennstoff-Luft-Gemischs und zusätzlich oder alternativ die Temperatur der Vorkammer 7, insbesondere einer Innenwand der Vorkammer 7, auf ein Niveau gebracht, welches eine Reaktion von Stickstoff in der Vorkammer 7 mit Sauerstoff, insbesondere mit Sauerstoff, der aus dem Hauptbrennraum 5 in die Vorkammer 7 strömt, verhindert und damit die Bildung von Stickoxiden zumindest verringert.
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Mündet der zweite Fluidpfad 35 in den Brennstoffzuführkanal 25 stromaufwärts der Mündung 43 des Brennstoffzuführkanals 25 in die Vorkammer 7, so erfolgt eine Spülung des Brennstoffzuführkanals 25 zumindest bereichsweise mit vorzugsweise gekühltem Abgas. Es ist hierdurch vorzugsweise möglich, in dem Brennstoffzuführkanal 25 zwischen der Mündung 43 und der Brennstoffzuführkanalventileinrichtung 27 befindlichen Brennstoff zumindest teilweise in die Vorkammer 7 zu spülen. Durch Zuführung von vorzugsweise gekühltem Abgas aus dem Pufferspeicher 31 in den Endabschnitt 41 und vorzugsweise in einen an diesen stromaufwärts angrenzenden, bis zur Brennstoffzuführkanalventileinrichtung 27 reichenden Abschnitt des Brennstoffzuführkanals 25 kann in dem Brennstoffzuführkanal 25 zumindest bereichsweise eine thermische Trennschicht ausgebildet werden. Es ist dadurch vorzugsweise möglich, eine Rußbildung in dem Brennstoffzuführkanal 25 sowie in der Vorkammer 7 zu verringern oder zu vermeiden. Weiterhin kann vorzugsweise verhindert werden, dass Sauerstoff aus der Vorkammer 7 in den Brennstoffzuführkanal 25 strömt und dort mit Resten des durch den Brennstoffzuführkanal 25 zugeführten Brennstoffs umgesetzt wird, wobei eine Rußbildung in dem Brennstoffzuführkanal 25 stattfindet.
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Die zweite Ventileinrichtung 39 wird vorzugsweise in eine Geschlossenstellung angesteuert, bevor der dem Zündzeitpunkt zugeordnete obere Totpunkt des Kolbens 11 erreicht ist.
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Es wird also insgesamt in dem ersten Zeitintervall während eines ersten Arbeitsspiels in einer Arbeitsphase bei steigendem Brennraumdruck Abgas über die erste Ventileinrichtung 37 in den Pufferspeicher 31 eingespeichert, nämlich ab einem durch die Ventileinrichtung 37 vorbestimmten Brennraumdruck bis zum Erreichen eines maximalen Brennraumdrucks, wobei das Abgas anschließend in dem zweiten Zeitintervall, welches bis in das anschließende, nächste Arbeitsspiel währt, das Abgas in dem Pufferspeicher 31 zwischengespeichert wird. In dem nächsten Arbeitsspiel wird das Abgas in dem dritten Zeitintervall nach einem Zündzeitpunkt und insbesondere nach einer Fackelphase der Vorkammer 7 über die zweite Ventileinrichtung 39 zugeführt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verlaufs einer Stickoxidbildung über einem Kurbelwinkel des Kolbens 11. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Auf der Abszisse ist der Kurbelwinkel des Kolbens 11 in Grad Kurbelwinkel (°KW) aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Menge gebildeten Stickoxids (NOx) in der Vorkammer 7 aufgetragen. Die eingezeichneten Kurvenverläufe stellen in schematischer Weise die Menge des in der Vorkammer 7 gebildeten Stickoxids, aufgetragen über den Kurbelwinkel, in einem Abschnitt eines Arbeitsspiels des Kolbens 11 dar.
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Die Fackelphase 45 beginnt insbesondere mit dem Zündzeitpunkt, welcher auf der Abszisse mit A markiert ist. Insbesondere mit Beginn der Fackelphase 45 wird in der Vorkammer 7 Stickoxid erzeugt. Die Fackelphase 45 endet insbesondere, wenn kein entflammtes Brennstoff-Luft-Gemisch mehr aus der Vorkammer 7 in den Hauptbrennraum 5 strömt. Das Ende der Fackelphase 45 ist auf der Abszisse mit B gekennzeichnet. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Stickoxidbildung in der Vorkammer 7 einer Brennkraftmaschine 1 wird bei dem Kurbelwinkel B kein Stickoxid erzeugt. In dem Verlauf der Fackelphase 45 zwischen den Kurbelwinkeln A und B stellt die dargestellte Kurve 46 schematisch die Stickoxidbildung in der Vorkammer dar. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel gibt es hinsichtlich der Stickoxidbildung während der Fackelphase 45 keinen Unterschied zwischen einem Betrieb einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Spüleinrichtung 29 und einer nicht erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ohne Spüleinrichtung.
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Im Anschluss an das Ende der Fackelphase 45 – in 2 unmittelbar an das Ende der Fackelphase 45 angrenzend – beginnt eine Rückströmphase 47, deren Anfang auf der Abszisse mit der Kurbelwinkelstellung B und deren Ende mit der Kurbelwinkelstellung C gekennzeichnet sind. In der Rückströmphase 47 strömt insbesondere Restsauerstoff durch die Expansion nach der Entflammung des Gemischs in dem Hauptbrennraum 5 durch den Überströmkanal 17 in die Vorkammer 7.
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Ein Beginn einer Spülung der Vorkammer 7 mit vorzugsweise gekühltem Abgas bei einem Kurbelwinkel D liegt vorzugsweise nach dem Zündzeitpunkt A am Ende der Fackelphase 45. Vorzugsweise liegt der Beginn D des Spülvorgangs vor einem dem Zündzeitpunkt A zugeordneten oberen Totpunkt des Kolbens 11, welcher in 2 nicht eingezeichnet ist. Durch den Beginn der Spülung am Ende der Fackelphase 45 wird vorzugsweise sichergestellt, dass keine Inertisierung des zu entflammenden Brennstoff-Luft-Gemischs in der Vorkammer 7 stattfindet sowie keine Kühlung realisiert wird, bevor die Fackelphase 45 – zumindest weitgehend – abgeschlossen ist. Dadurch wird insbesondere eine effektive Zündwirkung des von der Vorkammer 7 in den Hauptbrennraum 5 strömenden, entflammten Brennstoff-Luft-Gemischs in Bezug auf ein insbesondere mageres in dem Hauptbrennraum 5 befindliches Brennstoff-Luft-Gemisch sichergestellt.
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Ein Ende des Spülens der Vorkammer 7 mit vorzugsweise gekühltem Abgas ist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel bei einer Kurbelwinkelstellung E eingezeichnet. Das Ende des Spülens ist vorzugsweise vor Erreichen des dem Zündzeitpunkt A zugeordneten oberen Totpunkts des Kolbens 11 erreicht.
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Dieser obere Totpunkt befindet sich vorzugsweise in der Rückströmphase 47 zwischen den Kurbelwinkeln E und C. Vorzugsweise liegt ein maximaler Brennraumdruck in dem Hauptbrennraum 5 in der Rückströmphase 47 in einem Kurbelwinkelbereich zwischen dem oberen Totpunkt und dem Kurbelwinkel C.
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Mit einer Brennkraftmaschine, welche keine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit einer Spüleinrichtung 29 darstellt, entspricht eine Stickoxidbildung während der Rückströmphase 47 – schematisch dargestellt – der Kurve 49, dargestellt als durchgehende Linie. Die Kurve 49 erstreckt sich zwischen den Abszissenpunkten B und C. Mittels der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 mit der Spüleinrichtung 29 lässt sich eine Stickoxidbildung in der Vorkammer 7 in der Rückströmphase 47 auf ein deutlich geringeres Niveau – gekennzeichnet durch die gestrichelte Linie 51 – reduzieren.
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Bei Brennkraftmaschinen 1, welche insbesondere mit einem mageren Brennstoff-Luft-Gemisch betrieben werden, werden vorzugsweise zwischen 80 % und 98 % der erzeugten Stickoxide in der Vorkammer erzeugt, wobei das Verbrennungsluftverhältnis etwa zwischen 2 und 2,2 liegt. Es ist bei einer Brennkraftmaschine 1, welche derart betrieben wird, möglich, die Menge an erzeugtem Stickoxid durch das erfindungsgemäße Spülen der Vorkammer 7 mit Abgas um bis zu 80 % zu verringern.
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Insgesamt zeigt sich, dass mittels der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 mit der Spüleinrichtung 29 durch Spülen der Vorkammer 7 mit Abgas eine gesamte Stickoxidemission signifikant verringert werden kann. Darüber hinaus kann die Rußbildung insbesondere in dem Brennstoffzuführkanal 25 sowie der Vorkammer 7 signifikant reduziert werden. Im Ergebnis lassen sich hierdurch erforderliche Wartungsaktivitäten der Brennkraftmaschine 1 und ein Schadstoffausstoß verringern sowie Betriebskosten reduzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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