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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine.
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Insbesondere als Gasmotoren ausgebildete Brennkraftmaschinen finden stetig weitere Verbreitung. Eine wesentliche Motivation hierfür sind die zur Neige gehenden und damit teurer werdenden, aus Erdöl gewonnenen Kraftstoffe, welche durch Erdgas ersetzt werden können, das auf längere Zeit verfügbar bleibt und hinsichtlich der Kosten, der Kohlendioxid-Bilanz und der Schadstoffemissionen günstiger ist als flüssige Kraftstoffe auf Erdölbasis. Besonders günstig sind aufgeladene Magergemisch-Gas-Viertakt-Ottomotoren, die als technischer Standard bei Stationärmotoren gelten und mitunter höhere Wirkungsgrade erreichen als Industriedieselmotoren. Die in solchen Brennkraftmaschinen durchgeführte, überstöchiometrische Verbrennung begünstigt jedoch die Entstehung von Emissionen von Kohlenwasserstoffen, wobei insbesondere in Randbereichen von Brennräumen Quenching-Effekte, das heißt ein Auslöschen der Flamme aufgrund niedrigerer Temperaturen, auftreten können, sodass dort lokal keine vollständige Verbrennung stattfindet und vom Brenngas stammende, unverbrannte Kohlenwasserstoffe am Ende eines Arbeitstakts übrig bleiben, die dann mit dem Abgas ausgeschoben werden, was im Falle von methanhaltigen Brenngasen auch als Methanschlupf bezeichnet wird. Ein hierfür vorgesehener Lösungsansatz ist beispielsweise eine Reduzierung der Feuersteghöhe durch Hochsetzen mindestens eines ersten Kompressionsrings. Hierdurch wird jedoch die Funktionssicherheit des Ringpakets gefährdet. Es sind auch Maßnahmen bekannt, um Schadvolumina im Dichtungsverbund zwischen dem Zylinderkopf und dem Kurbelgehäuse zu reduzieren. Dies kann jedoch nur zu einem sehr kleinen Teil zur Vermeidung der Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe beitragen. Diese Emissionen sind insbesondere bei Brennkraftmaschinen problematisch, die mit methanhaltigem Brenngas betrieben werden, da Methan sehr viel klimarelevanter ist als Kohlendioxid. Es besteht daher das dringende Bedürfnis, den Methanschlupf solcher Brennkraftmaschinen zu reduzieren. Derzeit wird in Brennkraftmaschinen der hier angesprochenen Art stets ein homogenes, überstöchiometrisches Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch schon vor dem Einbringen in den Brennraum erzeugt, wobei häufig Brenngas bereits vor einem Verdichter eingebracht und anschließend das Gemisch verdichtet wird. Eine homogene Mischung wird aber spätestens in einem Ventilspalt zum Brennraum angestrebt, sodass der Brennraum in seinem gesamten Volumen mit einem vollständig homogenisierten Mager-Gemisch beschickt wird.
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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 eine Brenngasströmung und eine Verbrennungsluftströmung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine erzeugt, und die Brenngasströmung wird in einem – in radialer Richtung gesehen – inneren Bereich des Brennraums konzentriert, wobei die Brenngasströmung von der Verbrennungsluftströmung – in Umfangsrichtung gesehen – umgriffen wird. Im Gegensatz zu den bisherigen Bemühungen, stets spätestens an einem Ventilspalt zum Brennraum ein homogenes Gemisch bereitzustellen, wird im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens zunächst eine geschichtete Ladung in dem Brennraum erzeugt, wobei das Brenngas radial innen konzentriert und radial außen von Verbrennungsluft umgriffen wird. Dadurch wird eine spätere Anordnung von Brenngas insbesondere während des Verbrennungsprozesses in kälteren Bereichen des Brennraums vermieden, wobei das Brenngas insbesondere von wandnahen Bereichen, in denen es zu Quenching-Effekten kommen kann, ferngehalten wird. Es ist daher möglich, das radial innen in dem Brennraum konzentrierte Brenngas, das dort zumindest später insbesondere als homogenes Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch vorliegt, vollständig zu entflammen und zu verbrennen, sodass die Kohlenwasserstoffemissionen der Brennkraftmaschine, insbesondere ein Methanschlupf, deutlich reduziert und vorzugsweise eliminiert werden können. Dabei werden insbesondere kritische Randbereiche des Brennraums, wie beispielsweise Feuerdeck, Dichtkante zum Zylinderkopf, und Feuersteg, durch eine Schicht von insbesondere brenngasfreier Verbrennungsluft von dem radial innen angeordneten Brenngas und dem zumindest später vorliegenden Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch abgegrenzt, sodass eine unerwünschte Emissionsbildung in den kritischen Randbereichen ausgeschlossen wird. Vorteilhaft ist weiterhin, dass auf eine Abgasnachbehandlung verzichtet werden kann. Durch die Minimierung der Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe ist zudem eine Wirkungsgradsteigerung möglich, weil bisher mit dem Abgas ausgetragene chemische Energie im Brennraum genutzt und umgesetzt werden kann. Die so zusätzlich zur Verfügung stehende Enthalpie wird dem Arbeitsprozess der Brennkraftmaschine zugeführt.
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Unter einem Brenngas wird hier insbesondere ein unter Normalbedingungen, als bei 1013 mbar und 25 °C oder 298 K, gasförmiger Stoff verstanden, welcher brennbar und zur Verwendung als Brennstoff in einer Brennkraftmaschine geeignet ist. Besonders bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens ein methanhaltiges Brenngas verwendet. Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens bevorzugt Erdgas als Brenngas verwendet. Es ist möglich, dass im Rahmen des Verfahrens verflüssigtes Erdgas (liquefied natural gas – LNG) oder komprimiertes Erdgas (compressed natural gas – CNG) verwendet wird. Es ist auch möglich, dass die Brennkraftmaschine direkt an ein Erdgasnetz angeschlossen und mit Erdgas aus dem Erdgasnetz betrieben wird. Es ist auch möglich, dass ein anderes Brenngas oder Erdgas oder Methan vermischt mit einem anderen Brenngas verwendet wird, wobei als Brenngas oder als Zumischstoff wenigstens ein Gas ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem von Methan verschiedenen, gasförmigen Kohlenwasserstoff, insbesondere Ethan, Ethen und/oder Ethin, und Wasserstoff.
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Im Folgenden ist eine Längsrichtung, axiale Richtung oder Axialrichtung eine Richtung, entlang derer sich eine Längsachse des Brennraums der Brennkraftmaschine erstreckt, wobei dies zugleich insbesondere eine Richtung ist, in der bevorzugt ein Kolben in dem Brennraum verlagerbar ist. Eine radiale Richtung steht senkrecht auf der Axialrichtung. Eine Umfangsrichtung umgreift die Axialrichtung konzentrisch.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass durch Aufwärtsbewegung eines Kolbens in dem Brennraum in Richtung eines oberen Totpunkts eine radial einwärts gerichtete Komponente der Verbrennungsluftströmung erzeugt wird, wobei in dem inneren Bereich des Brennraums ein homogenes Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch erzeugt wird, das radial außen von insbesondere brenngasfreier, reiner Verbrennungsluft umgriffen wird. Vorteilhaft hieran ist, dass das Brennverfahren nicht von der Verbrennung eines homogenen Verbrennungsluft-Brenngas-Gemischs abweichen muss, sodass insbesondere weiterhin ein Gas-Otto-Verfahren durchführbar ist, wobei jedoch nicht der gesamte Brennraum mit einem homogenen Gemisch gefüllt ist, sondern vielmehr das homogene Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch gezielt radial innen in dem Brennraum erzeugt wird, wobei dieses radial außen durch eine Schicht an Verbrennungsluft von wandnahen Bereichen, in denen ein Quenching zu befürchten ist, isoliert wird. Es kann daher radial innen in dem Brennraum unter für die Verbrennung günstigen Bedingungen eine vollständige Verbrennung des Brenngases erfolgen.
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Bei der radialen Aufwärtsbewegung des Kolbens wird bei Annäherung an den oberen Totpunkt eine Quetschströmung erzeugt, welche bewirkt, dass Verbrennungsluft radial von außen in Richtung eines Zentrums des Brennraums strömt. Hierdurch ergeben sich radial innen starke Turbolenzen, sodass es in dem radial inneren Bereich zu einer innigen Durchmischung von Verbrennungsluft und Brennstoff kommt, wobei hier das homogene Gemisch gebildet werden kann.
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Dieses radial innen gebildete homogene Gemisch wird bevorzugt mit einer Zündeinrichtung gezündet. Die Zündeinrichtung kann dabei in für sich genommen bekannter Weise als Zündkerze, insbesondere als elektrische Funkenkerze, Korona-Zündkerze, Laserzündkerze, oder als Vorkammer-Zündeinrichtung, insbesondere Vorkammerzündkerze, oder auch als Pilotstrahlinjektor zur Eindüsung eines Zündstrahls eines Zündstoffs, der zündwilliger ist als das verwendete Brenngas, beispielsweise Diesel oder Dimethlyether, eingerichtet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf ein gesamtes Volumen des Brennraums bezogen ein Verbrennungsluft-Brenngas-Verhältnis, das auch als Lambda-Wert bezeichnet wird, von mindestens 1,1 bis höchstens 2,5, vorzugsweise bis höchstens 2,2, vorzugsweise bis höchstens 2, vorzugsweise von mindestens 1,2 bis höchstens 1,8, vorzugsweise von mindestens 1,3 bis höchstens 1,7, vorzugsweise von mindestens 1,4 bis höchstens 1,6 erzeugt wird. Es wird also insgesamt ein überstöchiometrisches Gemisch erzeugt, sodass eine homogene Magerverbrennung in dem Brennraum stattfinden kann. Durch die Konzentration des Brenngases in dem radial inneren Bereich des Brennraums ist allerdings das Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch radial innen jedenfalls fetter als radial außen, wo vorzugsweise in Wandnähe reine Verbrennungsluft angeordnet ist.
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Besonders bevorzugt wird zusätzlich oder alternativ in dem radial inneren Bereich ein Lambda-Wert von mindestens 1,1 bis höchstens 2,5, vorzugsweise bis höchstens 2,2, vorzugsweise bis höchstens 2, vorzugsweise von mindestens 1,2 bis höchstens 1,8, vorzugsweise von mindestens 1,3 bis höchstens 1,7, vorzugsweise von mindestens 1,4 bis höchstens 1,6, erzeugt. Das Konzept der überstöchiometrischen Verbrennung eines homogenen, mageren Gemischs wird also bevorzugt auch in dem radial inneren Bereich, in welchem die Brenngaskonzentration am höchsten ist, nicht verlassen, sodass die sich hieraus ergebenden Vorteile insbesondere einer niedrigen Konzentration von Schadstoffen im Abgas, ganz besonders eine niedrige Stickoxid-Konzentration, erzielt werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Brenngas in einen in seinem Mündungsbereich in den Brennraum axial ausgerichteten Spülkanal eingebracht wird, in welchem Verbrennungsluft strömt, wobei zusätzlich Verbrennungsluft, insbesondere eine Hauptmenge an Verbrennungsluft, über einen radial weiter außen tangential in den Brennraum einmündenden Verbrennungsluftkanal in den Brennraum eingebracht wird. Es findet also eine Trennung von Kanälen in einen Spülkanal und einen Verbrennungsluftkanal statt, wobei diese Kanäle so ausgerichtet werden können, dass einerseits die Brenngasströmung, welche auch die in dem Spülkanal strömende Verbrennungsluft umfasst, radial innen in dem Brennraum konzentriert werden kann, wobei die über den Verbrennungsluftkanal einströmende Verbrennungsluft die Brenngasströmung in Umfangsrichtung gesehen umgreift. Dass der Spülkanal axial ausgerichtet ist, bedeutet, dass dieser im Bereich seiner Mündung in den Brennraum im Wesentlichen in axialer Richtung verläuft. Dabei ist die Mündung des Spülkanals bevorzugt radial weiter innen angeordnet als die Mündung des Verbrennungsluftkanals. Dass der Verbrennungsluftkanal in tangentialer Richtung in den Brennraum mündet, bedeutet, dass dieser mit einem Winkel zur Axialrichtung in den Brennraum einmündet und zwar insbesondere so, dass eine Drallströmung der einströmenden Verbrennungsluft radial außen in dem Brennraum erzeugt wird. Diese radiale Drallströmung umgreift die radial innen angeordnete Brenngasströmung und fixiert diese mittig in dem Brennraum.
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Der Spülkanal einerseits und der Verbrennungsluftkanal andererseits können als separate, baulich getrennte Kanäle ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass sie quasi Teilkanäle eines übergeordneten Kanals bilden, der – entlang seiner Erstreckung gesehen – in einen Spülkanal und einen Verbrennungsluftkanal – beispielsweise durch eine Zwischenwandung – aufgeteilt ist.
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Bevorzugt wird das Brenngas über ein Brenngaszuführventil während eines Ladungswechsels in den Spülkanal eingebracht. Hierzu sind keine hohen Brenngasdrücke erforderlich, sodass die Brennkraftmaschine insbesondere direkt aus einer Erdgasleitung eines Erdgasnetzes mit Brenngas versorgt werden kann. In dem Spülkanal findet bereits eine Vormischung von Brenngas mit Verbrennungsluft statt. Es ist möglich, dass eine vollständige Homogenisierung erst später durch die radial einwärts gerichtete Komponente der Verbrennungsluftströmung aufgrund der Kolbenbewegung erreicht wird.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das Brenngas wandnah, insbesondere nahe an einer einem radial inneren Bereich des Brennraums zugewandten Wandung, in einen Verbrennungsluftkanal eingebracht wird. In diesem Fall findet bevorzugt keine Trennung der Zuführkanäle statt, dafür wird das Brenngas derart in den Verbrennungsluftkanal eingebracht, dass sich dort eine geschichtete Strömung ergibt, wobei das Brenngas an einer zumindest im Mündungsbereich des Verbrennungsluftkanals einem radial inneren Bereich des Brennraums zugewandten Wandung entlangströmt, während die Verbrennungsluft den übrigen Querschnitt des Verbrennungsluftkanals durchsetzt. Dabei mündet der Verbrennungsluftkanal bevorzugt tangential in dem Brennraum, sodass eine Drallströmung erzeugt wird, wobei aufgrund der wandnahen Anordnung der Brenngasströmung radial innen die zuvor beschriebene Verteilung der Brenngasströmung einerseits und der Verbrennungsluftströmung andererseits erreicht wird. Auch in diesem Fall wird vorzugsweise das Brenngas während eines Ladungswechsels in den Verbrennungsluftkanal eingebracht, wobei keine hohen Brenngasdrücke erforderlich sind.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Brenngas in einen Ventilspalt eines Verbrennungsluftkanals eingebracht wird, wobei dies vorzugsweise radial ausgerichtet geschieht. Bis zu dem Ventilspalt des Einlassventils strömt die Verbrennungsluft bevorzugt in dem Verbrennungsluftkanal ohne Brenngas, wobei dann im Ventilspalt das Brenngas radial ausgerichtet derart eingebracht wird, dass es in einem radial inneren Bereich des Brennraums konzentriert und von der Verbrennungsluftströmung radial außen umgriffen wird.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Brenngas direkt und separat von der Verbrennungsluft in den radial inneren Bereich des Brennraums eingebracht wird. Dies erfolgt dann bevorzugt im Wege einer Direkteindüsung, die allerdings – in Abweichung von herkömmlichen Verfahren zum Betreiben von Brenngasmotoren – nicht homogen ausgerichtet ist, sondern gezielt derart, dass die Brenngasströmung radial innen in dem Brennraum konzentriert wird. Hierzu können insbesondere Eindüsbohrungen einer Injektionseinrichtung auf den radial inneren Bereich des Brennraums ausgerichtet sein. Auch eine geeignete zeitliche Taktung der Eindüsung ist zusätzlich oder alternativ möglich. Vorzugsweise wird auch in diesem Fall die Verbrennungsluft über einen tangential in den Brennraum einmündenden Verbrennungsluftkanal zugeführt, sodass hier eine Drallströmung entsteht, welche das Brenngas in dem radial inneren Bereich des Brennraums umgreift und dort konzentriert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbrennungsluft radial außen mit tangentialer Ausrichtung in den Brennraum eingebracht wird. Eine Einmündung eines Verbrennungsluftkanals ist also unabhängig von dem Ort der Einbringung des Brenngases vorzugsweise in einem radial äußeren Bereich des Brennraums vorgesehen, wobei ein Verbrennungsluftkanal unabhängig von der Einbringung des Brenngases bevorzugt tangential in den Brennraum einmündet, sodass eine radial äußere Drallströmung der Brennungsluft in dem Brennraum erzeugt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbrennungsluft und das Brenngas über ein gleiches Einlassventil in den Brennraum eingebracht werden. Dies ist ohne weiteres dann der Fall, wenn die Verbrennungsluft und das Brenngas durch den gleichen Verbrennungsluftkanal eingebracht werden. Aber auch dann, wenn einerseits ein Spülkanal und andererseits ein Verbrennungsluftkanal als separate Zuführkanäle oder als Teilkanäle eines Kanals verwendet werden, ist es möglich, diese demselben Einlassventil zuzuordnen und insbesondere im selben Ventilsitz münden zu lassen. Es ist dann möglich, die Brennkraftmaschine konstruktiv besonders einfach zu halten und insbesondere mit einem Einlassventil pro Brennraum auszukommen.
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Alternativ ist es möglich, dass die Verbrennungsluft einerseits und das Brenngas andererseits über separate Einlassventile in den Brennraum eingebracht werden. Dabei können insbesondere ein Spülkanal und ein Verbrennungsluftkanal fluidisch vollständig voneinander getrennt sein, sodass diese noch besser in Hinblick auf ihre Ausrichtung der Mündung in den Brennraum optimiert werden können. Insbesondere dann, wenn dem Brennraum zwei Einlassventile zugeordnet sind, kann eines der Einlassventile zur Zufuhr von Brenngas eingerichtet und mit einem Spülkanal verbunden sein, wobei das andere Einlassventil zur Zufuhr von reiner Verbrennungsluft eingerichtet und mit einem Verbrennungsluftkanal verbunden sein kann.
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Es ist möglich, dass das Brenngas mit Überdruck in einen Spülkanal, einen Verbrennungsluftkanal und/oder direkt in den Brennraum eingebracht wird. Es ist auch möglich, dass das Brenngas im Wesentlichen oder vorzugsweise allein durch einen Ansaugunterdruck, der in einem Saugtakt entsteht, mit oder ohne Verwendung eines Ventils, insbesondere eines Differenzdruckventils, eingebracht wird. Dabei kann eine Venturi-Düse zur Differenzdruckverstärkung verwendet werden. Es ist aber auch eine Einbringung ohne Venturi-Düse, insbesondere einfach in eine Verbrennungsluftströmung, beispielsweise durch Saugrohrunterdruck, möglich. Die Verwendung eines Differenzdruckventils kann vorteilhaft sein, weil dann eine Einbringung des Brenngases nur bei einem bestimmten Differenzdruck gewährleistet werden kann, sodass das Brenngas nicht permanent in den Spülkanal, den Verbrennungsluftkanal und/oder den Brennraum leckt.
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Es ist möglich, dass das Brenngas permanent eingebracht wird. Es ist auch möglich, dass das Brenngas zeitlich getaktet, insbesondere über ein gesteuertes oder selbsttätiges Ventil, eingebracht wird. Besonders bevorzugt wird das Brenngas in einer Pause zwischen Ansaugvorgängen, insbesondere also in einem Kompressionstakt, einem Arbeitstakt, und/oder einem Ausstoßtakt eingebracht, insbesondere also gerade nicht während eines Ansaugvorgangs. Es ist aber auch möglich, dass das Brenngas in die bewegte Verbrennungsluft während des Ansaugvorgangs eingebracht wird. Schließlich ist es auch möglich, dass das Brenngas in einer Pause zwischen Ansaugvorgängen und zusätzlich während eines Ansaugvorgangs oder zumindest teilweise in wenigstens einem dieser Zeitabschnitte oder in mehreren solcher Zeitabschnitte eingebracht wird.
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Wird das Brenngas direkt in einen Ventilspalt eingebracht, erfolgt die Einbringung bevorzugt an einem Ort entlang eines Umfangs des Ventilsitzes, vorzugsweise ausgerichtet zur Zylindermitte hin.
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Eine Einbringung des Brenngases in größerer Entfernung zu einem Ventil hat den Vorteil, dass sich die Brenngasströmung beruhigen kann, wobei insbesondere eine wandnahe Einbringung des Brenngases erfolgen kann, und/oder wobei der Coanda-Effekt genutzt werden kann.
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Existieren voneinander separate oder als Teilkanäle eines Kanals ausgestaltete Spül- und Verbrennungsluftkanäle, wirkt der Spülkanal insbesondere als Füllungskanal, wobei der Verbrennungsluftkanal als Drallkanal genutzt wird. Es ist auch möglich, einen Hauptkanal und einen Nebenkanal vorzusehen, wobei der Nebenkanal als Mischkanal verwendet werden kann. Der Hauptkanal dient dann zur Zuführung einer Hauptmenge der Verbrennungsluft.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine bei konstanter Drehzahl betrieben wird. Dies ist deswegen günstig, weil sich in diesem Fall bei jedem Arbeitsspiel stets gleiche Einströmbedingungen ergeben, sodass die Strömungsverteilung in dem Brennraum reproduzierbar erzeugt werden kann. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine zusätzlich in einem konstanten Lastpunkt betrieben wird. Dies vereinheitlicht die Einströmbedingungen weiter und begünstigt eine stets reproduzierbare Ladungsschichtung in dem Brennraum. Darüber hinaus ist es möglich, auf eine Drosselklappe zur Leistungsregelung zu verzichten, welche ansonsten gegebenenfalls die Strömungsverhältnisse – insbesondere abhängig von einer momentanen, insbesondere von einer Leistungsanforderung abhängigen Klappenposition – stören könnte.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Brennkraftmaschine ein stationärer Motor, insbesondere ein stationärer Gasmotor, betrieben wird. Ganz besonders bevorzugt wird ein stationärer Gasmotor zur Erzeugung elektrischer Leistung betrieben. Es ist so insbesondere möglich, den stationären Gasmotor bei konstanter Drehzahl und/oder konstanter Leistung zu betreiben. Insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Leistung mit beispielsweise 50 Hz antreibt, wird die Brennkraftmaschine bevorzugt bei einer konstanten Drehzahl betrieben und weist typischerweise auch einen zumindest in weiten Bereichen konstanten Lastpunkt auf. Eine weitere, für das hier vorgeschlagene Verfahren sehr günstige Anwendung ist das stationäre Betreiben von Pumpen, beispielsweise im Bereich der Förderung fossiler Rohstoffe, insbesondere beim Fracking. Auch hier werden typischerweise konstante Drehzahlen und konstante Lastpunkte für Brennkraftmaschinen angestrebt und bevorzugt auch verwirklicht.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche eingerichtet ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen. Die Brennkraftmaschine weist insbesondere eine Strömungsleiteinrichtung auf, die eingerichtet ist, um eine Brenngasströmung in einem radial inneren Bereich eines Brennraums der Brennkraftmaschine zu konzentrieren, und um eine Verbrennungsluftströmung zu erzeugen, welche die Brenngasströmung – in Umfangsrichtung gesehen – radial außen umgreift. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Die Strömungsleiteinrichtung kann insbesondere als speziell ausgebildeter Kanal oder als eine in einem Einlasskanal angeordnete Einrichtung mit strömungsleitender Funktion ausgebildet sein.
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Die Strömungsleiteinrichtung weist bevorzugt einen in seinem Mündungsbereich in den Brennraum axial ausgerichteten Spülkanal für Verbrennungsluft auf, in welchen eine Dosiereinrichtung für Brenngas mündet, wobei die Strömungsleiteinrichtung zusätzlich einen von dem Spülkanal separaten, radial weiter außen in tangentialer Richtung in den Brennraum einmündenden Verbrennungsluftkanal aufweist. Der Verbrennungsluftkanal ist dabei bevorzugt frei von einer Dosiereinrichtung für Brenngas, weist also keine solche auf.
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Der Spülkanal einerseits und der Verbrennungsluftkanal andererseits können – wie oben bereits ausgeführt – als separate, baulich getrennte Kanäle ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass sie quasi Teilkanäle eines übergeordneten Kanals bilden, der – entlang seiner Erstreckung gesehen – in einen Spülkanal und einen Verbrennungsluftkanal – beispielsweise durch eine Zwischenwandung – aufgeteilt ist.
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Alternativ oder zusätzlich weist die Strömungsleiteinrichtung bevorzugt einen Verbrennungsluftkanal auf, der vorzugsweise tangential in den Brennraum mündet, insbesondere in einem radial äußeren Bereich, wobei dem Verbrennungsluftkanal eine Dosiereinrichtung für Brenngas zugeordnet ist, welche ihrerseits tangential an dem Verbrennungsluftkanal ausgerichtet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Dosiereinrichtung relativ zu dem Verbrennungsluftkanal so ausgerichtet und angeordnet ist, dass eine wandnahe Brenngasströmung in dem Verbrennungsluftkanal, insbesondere an einer Wandung, welche im Mündungsbereich des Verbrennungsluftkanals einem radial inneren Bereich des Brennraums zugewandt ist, erzeugt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich weist die Strömungsleiteinrichtung bevorzugt eine Dosiereinrichtung für Brenngas auf, welche in einen Ventilspalt eines Verbrennungsluftkanals mündet, wobei die Dosiereinrichtung vorzugsweise so angeordnet und ausgerichtet ist, dass eine in einen radial inneren Bereich des Brennraums ausgerichtete Brenngasströmung erzeugt wird.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Strömungsleiteinrichtung eine Injektionseinrichtung zur direkten Zufuhr von Brenngas in den Brennraum aufweist, wobei diese vorzugsweise so angeordnet und ausgerichtet ist, dass die Brenngasströmung aus der Injektionseinrichtung in einen radial inneren Bereich des Brennraums eingebracht wird. Insbesondere Eindüsbohrungen der Injektionseinrichtung sind dabei bevorzugt auf den radial inneren Bereich des Brennraums ausgerichtet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine einen in dem Brennraum verlagerbaren Kolben aufweist, der seinerseits eine zentrale Kolbenmulde aufweist. Dies hat den Vorteil, dass in dem radial inneren Bereich des Brennraums auch in der Nähe des oberen Totpunkts ein ausreichendes Volumen bereitgestellt werden kann, um das mittig angeordnete, insbesondere durch eine geeignete Zylinderinnenströmung, insbesondere eine Quetschströmung, erzeugte homogene Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch aufzunehmen. Da dieses nämlich nicht über das gesamte Brennraumvolumen verteilt, sondern vielmehr radial innen konzentriert angeordnet ist, muss hier Raum geschaffen werden, um eine für eine bestimmte Leistung der Brennkraftmaschine notwendige Masse an Brenngas und Verbrennungsluft aufnehmen zu können. Dieses Volumen wird vorteilhaft durch die Kolbenmulde bereitgestellt. Weiterhin ist es möglich, durch Optimierung der Geometrie der Kolbenmulde die Strömungsverhältnisse in dem Brennraum so zu gestalten, dass die Konzentration des Brenngases in dem radial inneren Bereich gefördert wird.
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Die Kolbenmulde hat weiterhin den Vorteil, mit ihrer Geometrie die Verteilung des zündfähigen, homogenen Gemisches in dem radial inneren Bereich des Brennraums begrenzen zu können. Insbesondere findet bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens zu dem oberen Totpunkt hin bevorzugt eine radiale Einströmung, insbesondere Quetschströmung, von Verbrennungsluft in die Kolbenmulde hinein statt. Dadurch können insbesondere die engen Spalte zwischen dem Feuersteg und einer Zylinderlaufbuchse sowie zwischen einer Kolbenkrone und einem Zylinderkopfboden mit reiner Verbrennungsluft gefüllt sein. Dies verhindert ein Quenching in diesen Zonen.
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Vorteilhaft an der hier vorgeschlagenen Brennkraftmaschine und dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist außerdem, dass bereits bestehende Brennkraftmaschinen in vergleichsweise einfacher Weise und mit wenig Aufwand zur Durchführung des Verfahrens nachgerüstet werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine als stationärer Motor, insbesondere als stationärer Gasmotor, ausgebildet ist. Sie kann auf diese Weise insbesondere bei konstanter Drehzahl und vorzugsweise bei konstantem Lastpunkt betrieben werden.
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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, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine bedingt ist.
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Die Brennkraftmaschine zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch 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 einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine;
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2 eine schematische Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine, und
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3 eine schematische Detaildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine 1, die eine Strömungsleiteinrichtung 3 aufweist, die eingerichtet ist, um eine Brenngasströmung 5 in einem radial inneren Bereich 7 eines Brennraums 9 zu konzentrieren, und um eine Verbrennungsluftströmung 11 zu erzeugen, welche die Brenngasströmung 5 – in Umfangsrichtung gesehen – radial außen umgreift.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist einen in dem Brennraum 9 verlagerbaren Kolben 13 auf, der hier eine zentrale Kolbenmulde 15 aufweist.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als stationärer Motor, insbesondere als stationärer Gasmotor ausgebildet, wobei sie bevorzugt bei konstanter Drehzahl und besonders bevorzugt bei konstantem Lastpunkt betrieben wird.
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Bei a) ist dargestellt, dass ein dem Brennraum 9 zugeordnetes Einlassventil 17 geöffnet wird, wobei Brenngas in die Mitte, also den inneren Bereich 7, des Brennraums 9 strömt. Der Kolben 13 ist zu diesem Zeitpunkt vorzugsweise in der Nähe eines oberen Totpunkts angeordnet.
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Bei b) ist dargestellt, dass sich der Kolben 13 bei geöffnetem Einlassventil 17 in einem Saugtakt der Brennkraftmaschine 1, die vorzugsweise als Viertaktmotor ausgebildet ist, nach unten von seinem oberen Totpunkt in Richtung seines unteren Totpunkts verlagert, wobei die Brenngasströmung 5 in dem inneren Bereich 7 dadurch fixiert wird, dass sie von der Verbrennungsluftströmung 11 umgriffen wird. Insbesondere wird bevorzugt eine Rotation der Verbrennungsluft erzeugt, welche die Brenngasströmung 5 zentral in dem inneren Bereich 7 fixiert.
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Bei c) ist dargestellt, dass sich der Kolben 13 weiter nach unten in Richtung seines unteren Totpunkts verlagert, wobei weiter Verbrennungsluft in den Brennraum 9 einströmt. Vorzugsweise strömt auch weiteres Brenngas in den Brennraum 9 ein, welches durch die Rotation der Verbrennungsluft in dem inneren Bereich 7, mithin in der Zylindermitte des Brennraums 9 fixiert wird. Im Übrigen ist eine Ladungsbewegung in dem Brennraum 9 zu diesem Zeitpunkt bevorzugt nur noch gering ausgebildet.
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Bei d) ist dargestellt, dass der Kolben 13 sich ausgehend von seinem unteren Totpunkt wiederum nach oben in Richtung seines oberen Totpunkts verlagert, wobei das Einlassventil 17 geschlossen ist und insoweit ein Kompressionstakt durchgeführt wird. Die Aufwärtsbewegung des Kolbens 13 verstärkt dabei die Ladungsrotation in dem Brennraum 9, wobei das Brenngas in dem inneren Bereich 7 fixiert bleibt.
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Bei e) ist dargestellt, dass sich der Kolben 13 weiter nach oben in Richtung seines oberen Totpunkts verlagert, wobei die Rotationsbewegung der Verbrennungsluft weiter verstärkt wird. Das Brenngas ist in dem inneren Bereich 7 konzentriert, wobei radial außen lediglich Verbrennungsluft oder ein sehr mageres Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch angeordnet ist.
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Bei f) nähert sich der Kolben 13 seinem oberen Totpunkt in dem Kompressionstakt, wobei durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens 13 in dem Brennraum 9 eine radial einwärts gerichtete Komponente der Verbrennungsluftströmung erzeugt wird, wobei in dem inneren Bereich 7 des Brennraums 9 ein homogenes Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch 19 erzeugt wird, das radial außen von Verbrennungsluft umgriffen wird. Die in der Nähe des oberen Totpunkts beginnende radiale Bewegung der Verbrennungsluft von außen in Richtung der Kolbenmulde 15, insbesondere entlang von Quetschflächen, bedingt also eine Durchmischung des in dem inneren Bereich 7 konzentrierten Brenngases mit der von außen radial nach innen heranströmenden Verbrennungsluft, sodass letztlich in dem inneren Bereich 7 und insbesondere in der Kolbenmulde 15 ein homogenes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch 19 ausgebildet wird.
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Bei g) ist dargestellt, dass dieses homogene Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch 19, welches aufgrund der Quetschströmungen eine starke Turbulenz und damit eine hohe Durchmischung aufweist, mittels einer Zündeinrichtung 21, die vorzugsweise als Zündkerze ausgebildet ist, gezündet wird.
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Dadurch, dass das Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch 19 radial innen in dem inneren Bereich 7 und insbesondere in der Kolbenmulde 15 konzentriert ist, wobei es außen von reiner Verbrennungsluft oder einem äußerst mageren Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch umgriffen wird, kann das Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch 19 sicher entflammt und vollständig verbrannt werden. Insbesondere sind keine Quenching-Effekte zu befürchten, da sich das Gemisch 19 nicht in kühleren Brennraumbereichen des Brennraums 9 befindet. Weiterhin ist es aufgrund der Konzentration des Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemischs 19 in dem inneren Bereich 7 möglich, auch sehr magere Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemische sicher zu entflammen und vollständig zu verbrennen. Dabei weist das Brennstoff-Verbrennungsluft-Gemisch 19 in der Kolbenmulde 15 bevorzugt einen Lambda-Wert von mindestens 1,1 bis höchstens 2,5, vorzugsweise von mindestens 1,4 bis höchstens 1,6, auf.
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2 zeigt eine schematische Detaildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Hier ist der Kolben 13 im Kompressionstakt in der Nähe seines oberen Totpunkts in dem Brennraum 9 dargestellt. Dabei ergibt sich bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 13 in der Nähe des oberen Totpunkts eine starke, radial einwärts gerichtete Quetschströmung entlang von Quetschflächen 23, sodass Verbrennungsluft von radial außen in den inneren Bereich 7 und insbesondere in die Kolbenmulde 15 einströmen kann. Dabei ergibt sich insbesondere eine stark turbulente Strömung, die zu einer kräftigen Durchmischung des in dem inneren Bereich 7 vorhandenen Brenngases mit der von außen radial nach innen strömenden Verbrennungsluft führt, sodass letztlich in dem inneren Bereich 7 und insbesondere in der Kolbenmulde 15 ein homogenes, vorzugsweise mageres Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch 19 erzeugt wird. Radial außen wird dieses Gemisch von Verbrennungsluft umgriffen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die Strömungsleiteinrichtung 3 weist hier einen Verbrennungsluftkanal 25 auf, über den bestimmungsgemäß eine Hauptmenge an Verbrennungsluft in den Brennraum 9 eingebracht wird, wobei zusätzlich ein von dem Verbrennungsluftkanal 25 separater Spülkanal 27 vorgesehen ist, in dem ebenfalls Verbrennungsluft strömt, wobei in den Spülkanal 27 mittels einer Dosiereinrichtung 29 Brenngas eingebracht wird.
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Der Spülkanal 27 ist in einem ersten Mündungsbereich 31, in welchem er in den Brennraum 9 mündet, axial ausgerichtet, das heißt er erstreckt sich insbesondere in Richtung der Verlagerung des Kolbens 13 in dem Brennraum 9. Der Verbrennungsluftkanal 25 weist einen im Vergleich zu dem ersten Mündungsbereich 31 radial weiter außen angeordneten zweiten Mündungsbereich 33 auf, wobei er in diesem zweiten Mündungsbereich 33 tangential in den Brennraum 9 einmündet. Das über den Spülkanal 27 in den Brennraum 9 einströmende Brenngas wird also bezüglich seiner Strömungsrichtung axial ausgerichtet, während die Hauptmenge der über den Verbrennungsluftkanal 25 einströmenden Verbrennungsluft im Wesentlichen tangential in den Brennraum 9 einströmt, sodass eine Wirbelströmung oder Rotation erzeugt wird, welche die axial ausgerichtete Brenngasströmung umgreift und so in dem inneren Bereich 7 fixiert.
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Das Brenngas wird bevorzugt über die Dosiereinrichtung 29 während eines Ladungswechsels in den Spülkanal 27 eingebracht. Hierzu sind keine hohen Brenngasdrücke erforderlich, sodass die Brennkraftmaschine 1 insbesondere direkt aus seiner Erdgasleitung eines Erdgasnetzes mit Brenngas versorgt werden kann.
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Es ist auch eine wandnahe Einbringung, insbesondere nah an einer dem radial inneren Bereich 7 des Brennraums 9 zugewandten Wandung in einen Verbrennungsluftkanal möglich, wobei in diesem Fall bevorzugt keine Trennung der Zuführkanäle stattfindet. Es ist auch möglich, dass das Brenngas in einen Ventilspalt eines Verbrennungsluftkanals eingebracht wird, wobei die Brenngasströmung dann bevorzugt radial ausgerichtet wird.
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Es ist auch möglich, dass das Brenngas direkt und separat von der Verbrennungsluft in den radial inneren Bereich 7 des Brennraums 9 eingebracht wird. Dies erfolgt dann bevorzugt im Wege einer Direkteindüsung, die dann allerdings bevorzugt nicht homogen ausgerichtet ist, sondern gezielt derart, dass die Brenngasströmung radial innen in dem Brennraum konzentriert wird. Auch eine geeignete zeitliche Taktung der Eindüsung ist zusätzlich oder alternativ möglich.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Verbrennungsluft radial außen mit tangentialer Ausrichtung in den Brennraum 9 eingebracht wird. Dabei ist der zweite Mündungsbereich 33 des Verbrennungsluftkanals 25 insbesondere in einem radial äußeren Bereich des Brennraums 9 vorgesehen, wobei er tangential in den Brennraum 9 einmündet, sodass eine radial äußere Drallströmung der Verbrennungsluft in dem Brennraum 9 erzeugt wird.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist überdies vorgesehen, dass die Verbrennungsluft und das Brenngas über das gleiche Einlassventil 17 in den Brennraum 9 eingelassen werden. Der Spülkanal 27 und der Verbrennungsluftkanal 25 sind dabei beide dem Einlassventil 17 zugeordnet und münden in einen selben Ventilsitz 35 des Einlassventils 17. Die Brennkraftmaschine 1 kann in diesem Fall konstruktiv besonders einfach gehalten sein und insbesondere auch mit einem Einlassventil 17 auskommen.
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Es ist es auch möglich, dass die Verbrennungsluft und das Brenngas über ein gleiches Einlassventil 17 in den Brennraum 9 eingebracht werden, wenn diese durch einen gleichen Verbrennungsluftkanal – ohne separaten Spülkanal – eingebracht werden.
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Weiterhin ist es möglich, dass die Verbrennungsluft einerseits und das Brenngas andererseits über separate Einlassventile in den Brennraum 9 eingebracht werden. Dabei können in besonders einfacher Weise der Spülkanal 27 und der Verbrennungsluftkanal 25 fluidisch vollständig voneinander getrennt werden, sodass diese noch besser in Hinblick auf ihre Ausrichtung der Mündung in den Brennraum 9 optimiert werden können. Insbesondere ist es möglich, dass ein erstes Einlassventil zur Zufuhr von Brenngas eingerichtet und mit dem Spülkanal 27 verbunden ist, wobei ein zweites Einlassventil zur Zufuhr von Verbrennungsluft eingerichtet und mit dem Verbrennungsluftkanal 25 verbunden ist.
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Insgesamt zeigt sich, dass mit dem Verfahren und der Brennkraftmaschine 1 ein optimiertes Magerbrennverfahren durchgeführt werden kann, wobei niedrige Stickoxidemissionen beibehalten und zugleich Kohlenwasserstoffemissionen vermindert werden können. Zudem kann der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 1 gesteigert werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere auch zur Nachrüstung an bestehenden Motoren. Dabei ist eine Systemzuverlässigkeit durch die geringe Komplexität des Verfahrens und der hierfür vorgesehenen Ausgestaltung der Brennkraftmaschine 1 gewährleistet.
