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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.
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Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem Otto-Brennverfahren betrieben werden, können reduzierte Stickoxid-Emissionen bei gleichzeitiger Steigerung des Wirkungsgrads durch einen Betrieb mit Luftüberschuss, also einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis, das auch als Lambda-Wert bezeichnet wird, von größer als 1, und/oder mit Abgasrückführung erreicht werden. Dabei fallen die Vorteile in Hinblick auf die Reduzierung der Stickoxid-Emissionen und die Wirkungsgradsteigerung umso größer aus, je höher die Verdünnung, mithin der Lambda-Wert, und/oder je größer eine Abgasrückführrate gewählt wird/werden. Eine dabei maximal realisierbare Verdünnung und/oder Abgasrückführrate ist allerdings durch eine Aussetzergrenze beschränkt, bei welcher ein unruhiger Motorlauf auftritt, der typischerweise verbunden ist mit erhöhten Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Emissionen, insbesondere aufgrund einer unvollständigen Verbrennung oder einem nur teilweisen Umsatz des Brennstoffs. Auch Zündaussetzer können auftreten. Bei festgehaltener Verdünnung und/oder Abgasrückführrate hängt die Aussetzergrenze maßgeblich von einer Brenngeschwindigkeit des Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs im Brennraum, von den Eigenschaften des gewählten Brennstoffs, beispielsweise einem Ethanol-Anteil im Otto-Brennstoff, und einem Turbulenzniveau, mithin der Ladungsbewegung im Brennraum, ab. Bei Baureihen von Brennkraftmaschinen, die bereits von Beginn an als Ottomotoren konzipiert sind, ist grundsätzlich eine gezielte Anpassung der Ladungsbewegung über Quetschflächen im Brennraum oder Einbauten in Ladungswechselorganen möglich. Dies ist allerdings nur in sehr geringem Umfang oder gar nicht möglich bei Brennkraftmaschinen, die bauartbedingt als Dieselmotoren, das heißt als Selbstzünder, ausgelegt sind, und die zu einem Otto-Betrieb umgerüstet sind und/oder mit einem Otto-Betrieb betrieben werden. Typischerweise weisen solche konstruktiv als Selbstzünder ausgestalteten Brennkraftmaschinen beispielsweise ein flacheres Feuerdeck auf, wobei sich in konstruktiver Hinsicht weniger Freiräume für Drallerzeugungsmittel ergeben. Nachteilig an solchen Drallerzeugungsmitteln ist außerdem, dass diese erhöhte Ladungswechselverluste mit sich bringen und damit den durch einen Magerbetrieb maximal erzielbaren Wirkungsgradgewinn minimieren.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2014 201 614 A1 ist bekannt, dass bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine als erster Brennstoff ein gasförmiger Brennstoff, insbesondere CNG, vorgesehen sein kann, wobei als zweiter Brennstoff Benzin verwendet wird, wobei der zweite Brennstoff durch eine Fremdzündung gezündet wird.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2006 054 463 A1 ist der Einsatz eines gasförmigen Brennstoffs sowie eines Otto-Brennstoffs mit anschließender Fremdzündung bekannt.
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Aus der
DE 11 2013 003 698 T5 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem als erster Brennstoff ein Otto-Brennstoff, nämlich Benzin, und als zweiter Brennstoff ein Zündöl, nämlich Diesel, verwendet wird, wobei die Zündung des in einem Brennraum gebildeten Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs durch Kompressionszündung des Zündöls erfolgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und 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 werden ein erster Brennstoff und Verbrennungsluft in wenigstens einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingelassen, und es wird ein homogenes Gemisch des ersten Brennstoffs mit der Verbrennungsluft in dem Brennraum erzeugt; ein zweiter, von dem ersten Brennstoff verschiedener Brennstoff wird in den wenigstens einen Brennraum eingebracht, und ein dergestalt in dem Brennraum gebildetes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch wird fremdgezündet. Als erster Brennstoff wird ein Otto-Brennstoff verwendet, wobei als zweiter Brennstoff ein Zündöl verwendet wird. Durch den zweiten, von dem ersten verschiedenen Brennstoff wird dabei insbesondere quasi zusätzliche Zündenergie in den Brennraum eingebracht, welche eine sichere Entflammung auch eines sehr mageren Gemischs und/oder eines durch Abgasrückführung verdünnten Gemischs ermöglicht, und/oder eine höhere Zündwilligkeit oder Entflammbarkeit des zweiten Brennstoffs führt zu einer Verbesserung der Entflammung und Verbrennung in dem Brennraum. Diese zusätzliche Zündenergie und/oder bessere Entflammbarkeit steht bei der Fremdzündung zur Verfügung, sodass die Aussetzergrenze zu höheren Lambda-Werten und/oder zu höheren Abgasrückführraten verschoben wird. Die Brennkraftmaschine kann also magerer und/oder mit höherer Abgasrückführrate betrieben werden, wobei ohne die Gefahr von Zündaussetzern, erhöhten Kohlenwasserstoff- und/oder Kohlenmonoxid-Emissionen oder anderer Nachteile die Stickoxid-Emissionen weiter reduziert und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine weiter gesteigert werden können.
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Der erste Brennstoff wird bevorzugt über wenigstens ein dem Brennraum zugeordnetes Einlassventil zusammen mit der Verbrennungsluft in den Brennraum eingelassen. Alternativ wird der erste Brennstoff bevorzugt derart direkt in den Brennraum eingebracht, dass sich ein homogenes Gemisch aus dem ersten Brennstoff und der Verbrennungsluft ergibt, insbesondere in Form einer Direkteindüsung in einem Saugtakt.
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Unter einem Einlassventil wird insbesondere eine Ventileinrichtung verstanden, durch welche im Betrieb der Brennkraftmaschine eine Fluidverbindung zwischen dem Ladepfad, über welchen dem Brennraum Verbrennungsluft oder insbesondere ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zuführbar ist, und dem Brennraum periodisch gesperrt und freigegeben wird. Ein solches Einlassventil ist typischerweise in einen Zylinderkopf integriert und/oder verbindet ein Saugrohr oder einen Ansaugkrümmer mit dem Brennraum. In bevorzugter Ausgestaltung kann das Einlassventil eine variable Ventilsteuerung oder einen variablen Ventiltrieb aufweisen, insbesondere einen vollvariablen Ventiltrieb.
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Es ist möglich, dass der erste Brennstoff bereits als homogenes Gemisch mit der Verbrennungsluft über das Einlassventil in den Brennraum eingelassen wird. Besonders bevorzugt ist dabei die Brennkraftmaschine als gemischverdichtende Brennkraftmaschine ausgebildet, was insbesondere bedeutet, dass eine Mischung des ersten Brennstoffs mit der Verbrennungsluft stromaufwärts eines Verdichters in dem Ladepfad vorgesehen ist, sodass durch den Verdichter das Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch verdichtet und weiter über den Ladepfad und das Einlassventil dem Brennraum zugeführt wird.
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Alternativ ist es möglich, dass eine Einzelpunkteindüsung für den ersten Brennstoff vorgesehen ist (Single Point Injection – SPI), wobei der erste Brennstoff – vorzugsweise stromabwärts eines Verdichters – stromaufwärts einer Abzweigung des Ladepfads auf einzelne Brennräume der Brennkraftmaschine in einen gemeinsamen Ladepfad-Abschnitt für alle Brennräume eingebracht wird. Es erfolgt in diesem Fall keine zylinderindividuelle Dosierung des ersten Brennstoffs.
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Alternativ ist es möglich, dass der erste Brennstoff durch eine Mehrpunkteinspritzung (Multi Point Injection – MPI) in den Ladepfad eindosiert wird, in diesem Fall insbesondere stromabwärts einer Abzweigung des Ladepfads zu verschiedenen Brennräumen der Brennkraftmaschine, wobei eine zylinderindividuelle Dosierung des ersten Brennstoffs möglich ist.
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In den zuvor beschriebenen Fällen erfolgt allerdings die Eindosierung des ersten Brennstoffs in den Ladepfad stromaufwärts des Einlassventils, sodass über das Einlassventil dem Brennraum ein Gemisch aus Verbrennungsluft und dem ersten Brennstoff zugeführt wird. Wie bereits oben ausgeführt, ist es aber auch möglich, den ersten Brennstoff direkt in den Brennraum einzubringen, bevorzugt so, dass in dem Brennraum ein homogenes Gemisch aus dem ersten Brennstoff und der Verbrennungsluft gebildet wird, insbesondere durch Eindüsen in einem Saugtakt.
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Der zweite Brennstoff wird vorzugsweise direkt in den Brennraum eingedüst, insbesondere über eine Einspritzeinrichtung zur Direkteinspritzung, vorzugsweise über einen hierzu vorgesehenen Injektor.
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Alternativ ist es bevorzugt möglich, dass der zweite Brennstoff mittels äußerer Gemischbildung, insbesondere mittels einer Mehrpunkteinspritzung (Multi Point Injection – MPI) oder einer Einzelpunkteinspritzung (Single Point Injection – SPI), in einen Ladepfad der Brennkraftmaschine eingebracht wird. Es ist auch möglich, dass ein Gemischbildungssystem nach Art eines Vemeblers oder Atomisierers verwendet wird, insbesondere um den zweiten Brennstoff und Verbrennungsluft gemeinsam in den Ladepfad einzubringen. Dabei bedeutet der Begriff „äußere Gemischbildung” hier insbesondere, dass der zweite Brennstoff außerhalb und stromaufwärts des Brennraums mit Verbrennungsluft gemischt wird.
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Unter dem Begriff „Fremdzünden” wird insbesondere verstanden, dass das Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch nicht unter Selbstzündungsbedingungen in dem Brennraum selbstständig entflammt wird, sondern vielmehr durch ein mittels einer Zündeinrichtung vorgegebenes Zündereignis. Dies ermöglicht eine besonders genaue Steuerung eines Zündzeitpunkts. Das Fremdzünden kann insbesondere mit einer Zündkerze, vorzugsweise mit einer elektrischen Funkenkerze, einer Korona-Zündkerze, einer Laser-Zündkerze, und/oder mit einer eine Vorkammer aufweisenden Zündeinrichtung, beispielsweise einer Vorkammer-Zündkerze durchgeführt werden. Dabei kann eine gespülte Vorkammer oder eine ungespülte Vorkammer verwendet werden. Das Fremdzünden kann auch durch Pilot-Einspritzung eines Zündstoffs, insbesondere eines Zündöls, in den Brennraum bewirkt werden. Dabei erfolgt die Pilot-Einspritzung vorzugsweise später innerhalb eines Arbeitsspiels als das Eindüsen des zweiten Brennstoffs, welches gerade nicht zur Bestimmung eines Zündzeitpunkts, sondern vielmehr zur Verbesserung der Entflammung und/oder Verbrennung vorgesehen ist. Gleichwohl ist es möglich, dass einerseits zum Eindüsen des zweiten Brennstoffs und andererseits für die Pilot-Einspritzung zum Zwecke des Fremdzündens eine gleiche und insbesondere eine identische Zündeinrichtung, insbesondere ein Zündstoff-Injektor, verwendet wird. Allerdings wird dieser dann separat zu zwei verschiedenen Zeiten angesteuert, wobei ein erster Zeitpunkt zum Eindüsen des zweiten Brennstoffs für die Bereitstellung zusätzlicher Zündenergie und/oder der Verbesserung der Entflammung/Verbrennung innerhalb eines Arbeitsspiels zeitlich vor einem zweiten Zündpunkt zur Ansteuerung der Injektionseinrichtung zum Zwecke der Pilot-Einspritzung und damit Definition des Zündzeitpunkts, angeordnet ist. Außerdem wird vorzugsweise zum Zwecke der Pilot-Einspritzung eine kleinere, insbesondere sehr viel kleinere Menge an Brennstoff eingespritzt, als sie zum Zwecke der Bereitstellung von Zündenergie und/oder der Verbesserung der Entflammung/Verbrennung zu dem ersten Zeitpunkt eingedüst wird.
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Die Brennkraftmaschine wird insbesondere mit einem Otto-Brennverfahren betrieben.
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Unter einem Otto-Brennstoff wird hier insbesondere ein Brennstoff verstanden, welcher eine geringere Zündwilligkeit aufweist als für die Durchführung von Selbstzünd-Brennverfahren, insbesondere Diesel-Brennverfahren, vorgesehene Brennstoffe oder allgemein Zündöle. Als Otto-Brennstoff wird bevorzugt ein Brennstoff verwendet, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Benzin, insbesondere mit einem 5%igen Ethanolgehalt, einem 10%igen Ethanolgehalt, einem 85%igen Ehtanolgehalt, Ethanol, einem anderen geeigneten Alkohol, Superbenzin, und einem Brenngas, insbesondere einem methanhaltigen Brenngas, besonders bevorzugt Erdgas, vorzugsweise komprimiertes Erdgas (Compressed Natural Gas – CNG) oder verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas – LNG).
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Unter einem Zündöl wird insbesondere ein Brennstoff verstanden, der zündwilliger ist als ein Otto-Brennstoff. Als Zündöl wird bevorzugt ein Brennstoff verwendet, der ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Diesel, Dimethylether, Kerosin, und einem anderen geeigneten Zündöl.
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Allgemein wird bevorzugt der erste Brennstoff so gewählt, dass er weniger zündwillig ist als der zweite Brennstoff. Umgekehrt wird der zweite Brennstoff bevorzugt so gewählt, dass er zündwilliger ist und/oder eine bessere Entflammbarkeit aufweist als der erste Brennstoff.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Brennstoff in einem Bereich zwischen höchstens 130 Grad Kurbelwellenwinkel (°KW) bis wenigstens 100°KW vor Erreichen eines oberen Totpunkts eines in dem Brennraum verlagerbaren Kolbens – insbesondere direkt – in den Brennraum eingedüst wird. Der hier betrachtete obere Totpunkt ist insbesondere der obere Totpunkt, welchen der Kolben zwischen einem Kompressionstakt und einem Expansionstakt eines Arbeitsspiels der bevorzugt als Viertaktmotor ausgebildeten Brennkraftmaschine durchläuft. Im Bereich des diesem oberen Totpunkt zugeordneten Kurbelwellenwinkels findet typischerweise auch die Fremdzündung statt, sodass dieser Totpunkt auch als Zünd-Oberer Totpunkt (Zünd-OT) bezeichnet wird. Durch die Eindüsung des zweiten Brennstoffs in dem genannten Kurbelwellenwinkelbereich wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der zweite Brennstoff teilweise noch in dem Kompressionstakt mit dem Gemisch aus Verbrennungsluft und dem ersten Brennstoff homogenisiert wird, insbesondere teilhomogenisiert, sodass er in vorteilhafter Weise die Fremdzündung und/oder Verbrennung des Gemischs unterstützen kann. Im Gegensatz dazu erfolgt eine Piloteinspritzung zum Zwecke einer Fremdzündung typischerweise in einem wesentlich kleineren Kurbelwellenwinkel-Abstand von dem Zünd-OT.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Brennstoff in einem Bereich zwischen höchstens 85°KW bis wenigstens 50°KW vor einem Zündzeitpunkt für die Fremdzündung in den Brennraum eingedüst wird. Auch dieser Winkelbereich gewährleistet eine günstige Bildung eines zumindest teilhomogenen Gemischs zwischen der Verbrennungsluft und dem ersten Brennstoff einerseits sowie dem zweiten Brennstoff andererseits, um in vorteilhafter Weise die Fremdzündung zu unterstützen.
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Es ist auch möglich, dass ein homogenes Gemisch des zweiten Brennstoffs mit der Verbrennungsluft und dem ersten Brennstoff erzeugt wird, insbesondere durch äußere Gemischbildung oder durch Einspritzung des zweiten Brennstoffs in einem Saugtakt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fremdzündung in einem Bereich von höchstens 60°KW bis wenigstens 40°KW, vorzugsweise höchstens 55°KW bis wenigstens 50°KW, vor dem Zünd-OT durchgeführt wird. In diesem Kurbelwellenwinkelbereich für die Fremdzündung können in günstiger Weise ein hoher Wirkungsgrad sowie geringe Stickoxid-Emissionen für die Brennkraftmaschine erzielt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in den Brennraum rückgeführtes Abgas eingebracht wird. Hierdurch kann ein hoher Inertgas-Anteil in dem Brennraum erzielt werden, was sich günstig auf die Stickoxid-Emissionen und die Verbrennungseigenschaften auswirkt. Insbesondere nimmt der vergleichsweise hohe Inertgas-Anteil Wärme auf, sodass im Wege einer kalorischen Betrachtung Wandwärmeverluste im Brennraum reduziert werden. Die Ladung in dem Brennraum weist eine höhere spezifische Wärmekapazität aufgrund des Inertgas-Anteils auf. Dies verbessert wiederum den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine.
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Es ist möglich, dass das rückgeführte Abgas im Wege einer internen Abgasrückführung in den Brennraum eingebracht wird, insbesondere indem durch geeignete Ansteuerung eines Einlassventils einerseits und/oder eines Auslassventils andererseits in einem Saugtakt Abgas aus einem Abgaspfad in den Brennraum zurückgesaugt wird. Alternativ ist es auch möglich, das Auslassventil so früh zu schließen, dass eine Restmenge an Abgas in dem Brennraum verbleibt.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das rückgeführte Abgas über eine externe Abgasrückführung in den Brennraum eingebracht wird. Dabei erfolgt vorzugsweise eine Rückführung von Abgas aus einem Abgaspfad der Brennkraftmaschine über eine Abgasrückführleitung in den Ladepfad, sodass das rückgeführte Abgas zusammen mit der Verbrennungsluft und vorzugsweise dem ersten Brennstoff über das Einlassventil in den Brennraum eingebracht wird. Dies ermöglicht – insbesondere über ein entsprechendes Stellorgan, beispielsweise eine Abgasrückführklappe – eine besonders genaue und feinfühlige Einstellung der Abgasrückführrate. Außerdem kann das rückgeführte Abgas in vorteilhafter Weise mittels eines Abgasrückführkühlers gekühlt werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das rückgeführte Abgas in den wenigstens einen Brennraum mit einer Abgasrückführrate von mindestens 15% bis höchstens 25%, vorzugsweise von mindestens 17% bis höchstens 20%, eingebracht wird. Im Rahmen des Verfahrens sind hohe Abgasrückführraten möglich, da durch das Einbringen des zweiten Brennstoffs Aussetzer selbst bei hoher Ladungsverdünnung und/oder hohem Inertgas-Anteil vermieden werden können und so eine sehr stabile Verbrennung – insbesondere ausgedrückt über die Schwankungsbreite eines indizierten Zylindermitteldrucks – erreicht werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis in dem Brennraum, welches auch als Lambda-Wert bezeichnet wird, von größer als 1 verwirklicht wird. Die Brennkraftmaschine kann also magerer betrieben werden, was sich günstig auf den Wirkungsgrad und die Stickoxid-Emissionen auswirkt. Weiterhin kann durch Anheben des Lambda-Werts eine Drosselklappe im Ladepfad der Brennkraftmaschine weiter geöffnet werden, sodass eine Entdrosselung erreicht und Drosselverluste der Brennkraftmaschine reduziert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine in den Brennraum eingebrachte oder eindosierte Menge des zweiten Brennstoffs so gewählt wird, dass sie mindestens 20% bis höchstens 30% einer insgesamt in einem Arbeitsspiel in den Brennraum eingebrachten Energiemenge entspricht. Dies bedeutet insbesondere, dass wenigstens 20% bis höchstens 30% der insgesamt in den Brennraum während eines Arbeitsspiels eingebrachten chemischen Energie über den zweiten Brennstoff oder als zweiter Brennstoff in den Brennraum eingebracht werden. Die Wahl dieses Bereichs gewährleistet zum einen, dass nicht etwa der zweite Brennstoff durch Erreichen von Selbstzündungsbedingungen entflammt wird, was zur Folge hätte, dass der Zündzeitpunkt nicht mehr genau definiert wäre, sondern dass vielmehr weiterhin der Zündzeitpunkt ausschließlich durch das Fremdzündungsereignis bestimmt wird; zum anderen gewährleistet dieser Bereich, dass eine ausreichende Erhöhung der Zündenergie und/oder Entflammbarkeit durch die über den zweiten Brennstoff in den Brennraum eingebrachte chemische Energie zur Verfügung steht, sodass Zündaussetzer wirksam vermieden und auch magere Gemische mit hoher Verdünnungsrate noch sicher entflammt werden können.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche wenigstens einen Brennraum aufweist, dem vorzugsweise wenigstens ein Einlassventil zugeordnet ist. Die Brennkraftmaschine weist eine Dosiereinrichtung zum Einbringen eines ersten Brennstoffs in den wenigstens einen Brennraum auf, sowie eine Einbringeinrichtung, vorzugsweise eine dem Brennraum zugeordnete Injektionseinrichtung, für einen zweiten, von dem ersten Brennstoff verschiedenen Brennstoff zum Einbringen des zweiten Brennstoffs in den Brennraum. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine eine Zündeinrichtung auf, die insbesondere eingerichtet ist zur Fremdzündung eines in dem Brennraum vorliegenden Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs, und die Brennkraftmaschine weist ein Steuergerät auf, welches eingerichtet ist, um zumindest die Einbringeinrichtung für den zweiten Brennstoff und die Zündeinrichtung so anzusteuern, dass der zweite Brennstoff in den Brennraum eingebracht, vorzugsweise direkt in den Brennraum eingedüst, wird, und dass das in dem Brennraum gebildete Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch fremdgezündet wird. Dabei ist die Brennkraftmaschine und bevorzugt das Steuergerät eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine ist die Dosiereinrichtung eingerichtet als Einrichtung zur Einzelpunkteinspritzung. Alternativ ist es möglich, dass die Dosiereinrichtung eingerichtet ist als Einrichtung zur Mehrpunkteinspritzung. Ist die Brennkraftmaschine als gemischverdichtender Motor ausgebildet, ist es möglich, dass die Dosiereinrichtung als Vergaser ausgebildet ist, oder dass eine Drosselklappe in dem Ladepfad als Dosiereinrichtung für eine dem Brennraum zugeführte Menge an erstem Brennstoff verwendet wird. Auch eine Ausgestaltung der Dosiereinrichtung als Injektionseinrichtung zur Direkteindüsung des ersten Brennstoffs in den Brennraum ist möglich.
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Die Einbringeinrichtung für den zweiten Brennstoff ist vorzugsweise als Injektionseinrichtung, insbesondere als Injektor zur Direkteinspritzung des zweiten Brennstoffs in den Brennraum ausgebildet. Es ist aber auch eine Ausgestaltung der Einbringeinrichtung als Einrichtung zur Einzelpunkteinspritzung, als Einrichtung zur Mehrpunkteinspritzung, oder als Vernebler oder als Atomisierer möglich.
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Die Zündeinrichtung ist vorzugsweise als Zündkerze, insbesondere als elektrische Funkenkerze, als Korona-Zündkerze, als Laser-Zündkerze ausgebildet, oder weist eine Vorkammer auf, wobei sie bevorzugt als Vorkammer-Zündkerze ausgebildet ist. Die Zündeinrichtung kann eine gespülte oder eine ungespülte Vorkammer aufweisen. Es ist auch möglich, dass die Zündeinrichtung als Einrichtung zur Pilot-Einspritzung eines Zündöls ausgebildet ist. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Injektionseinrichtung für den zweiten Brennstoff als Zündeinrichtung verwendet wird und insoweit eine Doppelfunktion aufweist. In diesem Fall ist das Steuergerät eingerichtet, um die Injektionseinrichtung innerhalb eines Arbeitsspiels zweimal anzusteuern, nämlich ein erstes Mal, um den zweiten Brennstoff direkt in den Brennraum einzudüsen und so die Zündenergie in dem Brennraum anzuheben, und ein zweites Mal, um eine Pilot-Injektion zur Definition des Zündzeitpunkts zu bewirken. Dabei findet die zweite Ansteuerung zeitlich nach der ersten Ansteuerung und insbesondere in größerer zeitlicher Nähe zu einem Zünd-OT statt.
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Das Steuergerät ist insbesondere mit der Einbringeinrichtung und der Zündeinrichtung zu deren Ansteuerung wirkverbunden. Vorzugsweise ist das Steuergerät zusätzlich oder alternativ mit der Dosiereinrichtung zur Dosierung des ersten Brennstoffs wirkverbunden.
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Das Steuergerät ist vorzugsweise als zentrales Steuergerät der Brennkraftmaschine (Engine Control Unit – ECU) ausgebildet, oder es wird das zentrale Steuergerät der Brennkraftmaschine als Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens verwendet. Auch ist es möglich, dass das Verfahren in das zentrale Steuergerät der Brennkraftmaschine implementiert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Brennkraftmaschine als Dieselmotor ausgebildet, wobei sie insbesondere konstruktiv als Dieselmotor ausgelegt ist, wobei der Dieselmotor allerdings zum Betrieb mit einem Otto-Brennverfahren umgerüstet oder ausgerüstet ist. Es kann sich also zum einen um einen Dieselmotor handeln, der für den Betrieb mit einem Otto-Brennverfahren umgebaut ist. Zum anderen kann die Brennkraftmaschine einer Baureihe von Brennkraftmaschinen angehören, bei der konstruktiv identische oder zumindest sehr ähnliche Ausgestaltungen der Brennkraftmaschine einerseits als Dieselmotoren und andererseits als Otto-Motoren verwendet oder betrieben werden. Bei solchen Brennkraftmaschinen verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des Verfahrens, da diese anders als konstruktiv bereits als Otto-Motoren ausgelegte Brennkraftmaschinen geringere konstruktive Freiheitsgrade aufweisen, um die Verbrennung insbesondere in Hinblick auf eine Ladungsbewegung im Brennraum zu optimieren.
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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 Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine beschrieben 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 Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet 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 zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1, welche wenigstens einen Brennraum 3 aufweist, dem wenigstens ein Einlassventil 5 zugeordnet ist.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Hubkolbenmaschine ausgeführt. Dabei ist in dem Brennraum 3 ein Kolben 7 verlagerbar angeordnet.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen 3 auf, die auch als Zylinder bezeichnet werden, insbesondere vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn, zwanzig oder vierundzwanzig Zylinder, oder eine größere, kleinere oder andere Anzahl von Zylindern. Die Brennkraftmaschine 1 kann als Reihenmotor, als V-Motor, als W-Motor oder in einer anderen geeigneten konstruktiven Anordnung der Brennräume 3 ausgebildet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Brennkraftmaschine 1 für jeden Brennraum 3 zwei Einlassventile 5 auf. Sie weist außerdem ein dem Brennraum 3 zugeordnetes Auslassventil 9 auf, vorzugsweise pro Brennraum 3 zwei Auslassventile 9.
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Über einen Ladepfad 11, in welchem das Einlassventil 5 angeordnet ist, wobei eine Fluidverbindung zwischen dem Ladepfad 11 und dem Brennraum 3 im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 durch das Einlassventil 5 periodisch sperrbar und freigebbar ist, ist dem Brennraum 3 ein Gemisch aus Verbrennungsluft und einem ersten Brennstoff zuführbar. Dabei ist eine Dosiereinrichtung 13 zur Eindosierung des ersten Brennstoffs – insbesondere in den Ladepfad 11 – vorgesehen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dosiereinrichtung 13 als Dosiereinrichtung zur Mehrpunkteinspritzung vorgesehen, wobei bevorzugt jedem Brennraum 3 eine eigene Eindüsstelle für den ersten Brennstoff zugeordnet ist, sodass dieser brennraumindividuell in den Ladepfad 11, insbesondere stromabwärts einer Abzweigung des Ladepfads 11 zu den verschiedenen Brennräumen 3, eingebracht werden kann.
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Über das Auslassventil 9 ist der Brennraum 3 mit einem Abgaspfad 15 fluidverbindbar.
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Dem Brennraum 3 ist eine Einbringeinrichtung 16, hier eine Injektionseinrichtung 17, zugeordnet, die hier als Injektor zur Direkteindüsung eines zweiten, von dem ersten Brennstoff verschiedenen Brennstoffs, in den Brennraum 3 ausgebildet ist. Weiterhin ist dem Brennraum 3 eine Zündeinrichtung 19 zugeordnet, die eingerichtet ist zur Fremdzündung eines Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs in dem Brennraum 3. Die Zündeinrichtung 19 ist hier insbesondere als elektrische Funkenkerze ausgebildet, sie kann aber auch als Korona-Zündkerze, als Laser-Zündkerze, als Vorkammer-Zündkerze oder als anderweitige, eine gespülte oder ungespülte Vorkammer aufweisende Zündeinrichtung, oder als Einrichtung zur Durchführung einer Pilot-Einspritzung, ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, dass die Zündeinrichtung 19 und die Injektionseinrichtung 17 miteinander identisch sind, wobei die Injektionseinrichtung 17 auch zum Eindosieren einer Pilot-Eindüsung des zweiten Brennstoffs in den Brennraum 3 verwendet wird.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist weiterhin ein Steuergerät 21 auf, welches hier insbesondere mit der Dosiereinrichtung 13, der Injektionseinrichtung 17 und der Zündeinrichtung 19 wirkverbunden ist, um diese jeweils anzusteuern.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist bevorzugt als Dieselmotor ausgebildet, der zum Betrieb mit einem Otto-Brennverfahren umgerüstet oder ausgerüstet ist.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Brennstoff zusammen mit Verbrennungsluft in den Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 über das Einlassventil 15 eingelassen, wobei ein zweiter, von dem ersten Brennstoff verschiedener Brennstoff direkt in den Brennraum 3 über die Injektionseinrichtung 17 eingedüst wird. Schließlich wird das derart in dem Brennraum 3 gebildete Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch mittels der Zündeinrichtung 19 fremdgezündet.
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Als erster Brennstoff wird dabei vorzugsweise ein Brennstoffverwendet, der weniger zündwillig ist als der zweite Brennstoff, wobei als zweiter Brennstoff ein Brennstoff verwendet wird, der zündwilliger ist als der erste Brennstoff. Insbesondere werden als erster Brennstoff ein Otto-Brennstoff und als zweiter Brennstoff ein Zündöl verwendet.
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Der zweite Brennstoff wird vorzugsweise in einem Bereich zwischen höchstens 130°KW bis wenigstens 100°KW vor dem Erreichen eines oberen Totpunkts, insbesondere eines Zünd-OT, des Kolbens 7 in den Brennraum 3 eingedüst. Besonders bevorzugt wird der zweite Brennstoff in einem Bereich zwischen höchstens 85°KW bis wenigstens 50°KW vor einem Zündzeitpunkt, der durch die Zündeinrichtung 19 definiert wird, in den Brennraum 3 eingebracht.
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Die Fremdzündung mittels der Zündeinrichtung 19 erfolgt bevorzugt in einem Bereich von höchstens 60°KW bis wenigstens 40°KW, vorzugsweise von höchstens 55°KW bis wenigstens 50°KW vor dem Zünd-OT des Kolbens 7.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass dem Brennraum 3 rückgeführtes Abgas zugeführt wird, insbesondere im Wege einer internen und/oder externen Abgasrückführung, bevorzugt mit einer Abgasrückführrate von mindestens 15% bis höchstens 25%, vorzugsweise von mindestens 17% bis höchstens 20%.
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Besonders bevorzugt wird in dem Brennraum 3 ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Verhältnis von größer als 1 verwirklicht, mithin ein Magerbetrieb der Brennkraftmaschine 1.
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Vorzugsweise werden wenigstens 20% bis höchstens 30% der dem Brennraum 3 in einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine 1 insgesamt zugeführten chemischen Energie als zweiter Brennstoff zugeführt.
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Insgesamt zeigt sich, dass durch die Bereitstellung zusätzlicher Zündenergie im Wege der Eindüsung des zweiten Brennstoffs eine Verschiebung der Aussetzergrenze im ottomotorischen Brennverfahren hin zu höheren Verdünnungsraten, insbesondere im Sinne eine größeren Abgasrückführrate und/oder eines höheren Lambda-Werts, erreicht werden kann. Zugleich kann eine Verbesserung der Verbrennungsstabilität, insbesondere in Höhe einer verringerten Schwankungsbreite indizierter Zylindermitteldrücke, bei gleich hoher Verdünnungsrate erreicht werden. Zusätzlich ist es möglich, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine insbesondere durch geringere Wandwärmeverluste und eine Entdrosselung zu verbessern.
