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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotorsystems für ein Kraftfahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verbrennungsmotorsystem für ein Kraftfahrzeug.
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Verbrennungsmotoren kommen häufig zum Antrieb eines Fahrzeugs zum Einsatz. Üblicherweise wird bei der Auslegung der Verbrennungsmotoren (kurz: Motoren) dabei nach einem günstigen Leistungs-Verbrauchs-Verhältnis gestrebt, um insbesondere im Kraftfahrzeug-Bereich (d. h. bei Automobilen) einen möglichst geringen Verbrauch an Kraftstoff bei dennoch zufriedenstellender Leistungsausbeute zu ermöglichen. Hierzu tritt zudem noch das Bestreben, eine möglichst „saubere“ Verbrennung des Kraftstoffs, d. h. insbesondere einen möglichst geringen Schadstoffausstoß zu erreichen. Dies kann beispielsweise durch eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoffs, insbesondere bei Luftüberschuss (bezogen auf ein sogenanntes stöchiometrisches Verhältnis zwischen Luft und Kraftstoff), d. h. bei einem sogenannten „mageren Gemisch“ erreicht werden.
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Problematisch bei einer Steigerung des Luftüberschusses ist allerdings, dass das im Verbrennungsraum (auch: Zylinderraum) des Motors gebildete Gemisch ab einem bestimmten Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis, unter anderem beschrieben durch ein sogenanntes „Verbrennungsluftverhältnis λ“ („Lambdawert“), nicht mehr zündfähig ist und somit gar nicht mehr oder nur unvollständig verbrennt. Im Bereich von Kraftfahrzeugmotoren wird zur Umgehung dieses Problems als eine Möglichkeit eine sogenannte „Schichtladung“ im Zylinderraum erzeugt. Das heißt, dass schichtweise verschiedene Mischungsverhältnisse zwischen Luft und Kraftstoff ausgebildet werden, wobei im Bereich einer zur Zündung dienenden Zündvorrichtung (meist eine „Zündkerze“) ein vergleichsweise „fettes“ Gemisch (d. h. nahe dem stöchiometrischen Verhältnis oder sogar mit Kraftstoffüberschuss) vorliegt. Aus dem Bereich von (stationären) Motoren, die insbesondere mit Gas betrieben werden, ist der Einsatz einer sogenannten Vorkammer bekannt. Diese ist dem eigentlichen Zylinderraum vorgeschaltet und wird mit mehr Gas (d. h. einem fetteren Gemisch) als der Zylinderraum befüllt. Dadurch liegt dort ein zündfähiges Gemisch vor, das gezündet wird und beim Übertritt in den Zylinderraum das dortige magerere Gemisch zur Zündung bringen kann.
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Insbesondere für Benzinmotoren ist eine solche „Vorkammerzündung“ allerdings nicht gleichermaßen einfach umsetzbar, da eine Gemischbildung in der Vorkammer mit dem üblicherweise flüssig vorliegenden Benzin aufwendig ist. Zur Füllung der Vorkammer werden deshalb beispielsweise zusätzliche, gasförmige Zusatzkraftstoffe eingesetzt. Alternativ kommen bspw. Direktinjektoren zum Einsatz. Diese Konzepte erfordern jedoch zusätzlichen Bauraum und/oder komplexe und somit meist teure Technologien.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verbrennungsmotorsystem zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotorsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verbrennungsmotorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Weitere vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb eines Verbrennungsmotorsystems für ein Kraftfahrzeug. Das Verbrennungsmotorsystem umfasst dabei einen Verbrennungsmotor (kurz: Motor) mit wenigstens einem Hauptverbrennungsraum (auch als Zylinderraum bezeichnet) und jeweils eine dem jeweiligen Hauptverbrennungsraum zugeordnete Vorkammer, die durch wenigstens einen Überströmkanal mit dem (jeweiligen) Hauptverbrennungsraum strömungstechnisch verbunden ist. Verfahrensgemäß wird mittels einer der oder der jeweiligen Vorkammer zugeordneten Einspritzvorrichtung, die vorzugsweise Teil des Verbrennungsmotorsystems ist, ein Kraftstoff-Luftgemisch zur Ausbildung eines Vorkammergemischs in die (jeweilige) Vorkammer abgegeben. Anschließend wird das in der Vorkammer befindliche Vorkammergemisch mittels einer (der jeweiligen Vorkammer zugeordneten) Zündvorrichtung (vorzugsweise einer Zündkerze) gezündet, d. h. zur Verbrennung gebracht. Mittels des gezündeten – und sich somit ausdehnenden – und über den oder den jeweiligen Überströmkanal aus der jeweiligen Vorkammer in den (zugeordneten) Hauptverbrennungsraum übertretenden Vorkammergemischs wird ein in dem Hauptverbrennungsraum ausgebildetes Hauptkammergemisch gezündet.
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Das gezündete Vorkammergemisch tritt dabei insbesondere in Abhängigkeit von den Abmessungen des jeweiligen Überströmkanals „brennend“ in den Hauptverbrennungsraum über. Alternativ ist das in den Hauptverbrennungsraum übertretende Vorkammergemisch verloschen, enthält in diesem Fall aber zumindest reaktive Moleküle, die eine Zündreaktion mit dem Hauptkammergemisch hervorrufen. Aufgrund der gegenüber der Vorkammer vorzugsweise deutlich kleineren Querschnittsabmessungen des jeweiligen Überströmkanals bildet das nach der Zündung in die Hauptverbrennungskammer eintretende Vorkammergemisch einen sogenannten „Fackelstrahl“ oder „Jet“. In beiden Fällen bewirkt der Fackelstrahl oder Jet eine vergleichsweise hohe Turbulenz im Hauptverbrennungsraum sowie eine Zündung des Hauptkammergemischs an mehreren Stellen. Dadurch wird eine (im Vergleich zu einer herkömmlichen Zündkerzenzündung im Zylinderraum) schnelle sowie vollständigere Verbrennung insbesondere auch bei mageren (und dabei gegebenenfalls auch homogen verteilten) Hauptkammergemischen ermöglicht.
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Unter dem Begriff „Kraftstoff-Luftgemisch“ wird hier und im Folgenden verstanden, dass der Kraftstoff nicht „pur“ (d. h. ohne Beimengung von Luft, bspw. flüssig) in die Vorkammer eingebracht wird, sondern dass bereits ein vorzugsweise dampfförmiges Gemisch vorliegt. Dieses Gemisch ist in einer optionalen Verfahrensvariante bereits selbst zündfähig. Vorteilhafterweise kann aufgrund der Zuführung eines solchen Kraftstoff-Luftgemischs beispielsweise eine aufwendige und teure Direkteinspritzung von purem Kraftstoff zum Zweck der Gemischbildung innerhalb der jeweiligen Vorkammer entfallen. Außerdem ist die Dosierung eines solchen Kraftstoff-Luftgemischs aufgrund dessen (gegenüber flüssigem Kraftstoff) vergrößerten Volumens vorteilhafterweise besonders einfach.
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Unter dem Begriff „Verbrennungsmotorsystem“ wird hier und im Folgenden insbesondere der Verbrennungsmotor sowie die zu dessen Betrieb dienende und mit diesem verbundene Peripherie (z. B. Steuergeräte, Kraftstoffleitungen, ggf. vorhandene Turbolader und dergleichen verstanden).
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Als Kraftstoff für das Kraftstoff-Luftgemisch wird dabei vorzugsweise der gleiche Kraftstoff wie der des Hauptkammergemischs verwendet. Dadurch wird ebenfalls eine vereinfachte Motortechnik ermöglicht, da zur Befüllung (auch als „Fluten“ bezeichnet) der Vorkammer kein separater (Zusatz-)Kraftstoff erforderlich ist. Mithin entfallen auch ein für einen solchen separaten Kraftstoff erforderlicher Tank sowie der damit verbundenen Installationsaufwand. Vorzugsweise wird als Kraftstoff Benzin herangezogen, so dass es sich bei dem Motor insbesondere um einen Benzin(-Otto)motor handelt.
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Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, die jeweilige Vorkammer nur (d. h. ausschließlich) mit dem Kraftstoff-Luftgemisch zu fluten. Um allerdings Kraftstoff einsparen zu können, wird in einer bevorzugten Verfahrensvariante das in einem Verdichtungstakt von dem jeweiligen Hauptverbrennungsraum – insbesondere über den oder den jeweiligen Überströmkanal – in die jeweils zugeordnete Vorkammer einströmende Hauptkammergemisch (innerhalb der Vorkammer) mit dem Kraftstoff-Luftgemisch angereichert. In diesem Fall ist das Vorkammergemisch mithin durch den in der Vorkammer befindlichen Teil des Hauptkammergemischs sowie das hinzu gegebene Kraftstoff-Luftgemisch gebildet. Zweckmäßigerweise wird (vorzugsweise „erst“) dabei ein zündfähiges Gemisch, insbesondere ein Gemisch im Bereich um das stöchiometrische Mischungsverhältnis gebildet, das im Vergleich zum Hauptkammergemisch im Zylinderraum eine um ein Vielfaches kleinere Masse und/oder ein vielfach (bspw. um das 80- bis 99-fache bezogen auf ein sogenanntes Kompressionsvolumen) kleineres Volumen aufweist (wobei als Kompressionsvolumen hier und im Folgenden das im Zylinderraum verbleibende Volumen bei am sogenannten oberen Totpunkt angeordnetem Kolben, d. h. bei maximaler Eintauchtiefe des Kolbens im Zylinderraum, verstanden wird). Dadurch können insbesondere auch sehr magere Gemische (bspw. mit einem Lambdawert um 1,6, d. h. zwischen 1,5 bis 1,7, und höher) im Hauptverbrennungsraum mit geringem Zusatz-Aufwand und insbesondere bei niedrigem Schadstoffausstoß gezündet werden. Ein Gemisch mit einem solchen Verbrennungsluftverhältnis ist mit einer herkömmlichen Zündung mittels Zündkerze im Zylinderraum kaum fehlersicher zündbar, zumindest erfolgt dabei (im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen Zündung mittels des Vorkammergemischs) meist keine vollständige Verbrennung mehr. Insbesondere können somit vorteilhafterweise ein Risiko von Zündaussetzern deutlich verringert, sowie die Wirtschaftlichkeit des Verbrennungsmotorsystems gesteigert und dessen Schadstoffemissionen im Betrieb gesenkt werden.
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Um eine besonders hohe (insbesondere thermische) Effizienz zu ermöglichen, wird in einer vorteilhaften Verfahrensvariante zumindest für einen Normalbetrieb des Motors für das Hauptkammergemisch vorzugsweise ein mageres Kraftstoff-Luft-Mischungsverhältnis mit einem Verbrennungsluftverhältnis von etwa 1,6 oder höher herangezogen. Außerdem ist vorteilhafterweise bei einem solchen Verbrennungsluftverhältnis, insbesondere bei einem Lambdawert höher als 1,6, eine Emission von Stickoxiden (NOx) – insbesondere im Vergleich zu einem Verbrennungsluftverhältnis zwischen 1,05 und 1,4 – besonders gering, so dass optional eine zusätzliche Abgasreinigung entfallen kann.
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In einer zweckmäßigen Verfahrensvariante wird das Kraftstoff-Luftgemisch aus einem Kraftstofftank des Kraftfahrzeugs entnommen. Vorzugsweise wird das Kraftstoff-Luftgemisch dabei als solches, d. h. insbesondere direkt, mithin ohne weitere Aufbereitung oder Anreicherung mit Kraftstoff außerhalb des Kraftstofftanks entnommen. Dadurch kann vorteilhafterweise eine separate Vorrichtung zur Gemischbildung wie z. B. ein Vergaser, ein Zerstäuber, ein Verdampfer oder dergleichen entfallen, denn in dem Kraftstofftank liegt im (mit Kraftstoff, insbesondere Benzin) befüllten Zustand erkanntermaßen – aufgrund der gegenüber anderen Flüssigkeiten meist vergleichsweise hohen Flüchtigkeit des Kraftstoffs – bereits ein (näherungsweise gesättigtes) Gemisch aus verflüchtigtem (verdampften) Kraftstoff und Luft vor. Somit ist in dieser Verfahrensvariante eine Bevorratung und Bereitstellung des Kraftstoff(dampf)-Luftgemischs ohnehin vorhanden, so dass eine entsprechende Motortechnik besonders einfach gehalten und insbesondere kostengünstig umgesetzt werden kann. Bevorzugt wird dieses aus dem Kraftstofftank entnommene Kraftstoff-Luftgemisch zur Anreicherung des im Verdichtungstakt in die Vorkammer einströmenden auf ein Hauptkammergemischs insbesondere zündfähiges Mischungsverhältnis genutzt. Anders ausgedrückt wird das Kraftstoff-Luftgemisch mit dem einströmenden Hauptkammergemisch auf das zündfähige Mischungsverhältnis „verdünnt“, insbesondere, da das Kraftstoff-Luftgemisch aus dem Kraftstofftank regelmäßig zu fett für eine Zündung ist (d. h. außerhalb einer oberen Zündgrenze liegt). Das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-(Massen-)Verhältnis liegt bei etwa 14,7, während das Verhältnis der Atmosphäre im Kraftstofftank etwa 0,68 beträgt. Da im Betrieb mit fortschreitender Kompression des Hauptkammergemischs im Hauptverbrennungsraum immer mehr mageres Hauptkammergemisch in die Vorkammer einströmt, wird die Einleitung einer zur Ausbildung des zündfähigen Vorkammergemischs erforderlichen Menge des Kraftstoff-Luftgemischs außerdem vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Zündzeitpunkt und von der Zusammensetzung des Hauptkammergemischs eingestellt. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird dabei insbesondere während des Verdichtungstakts und/oder optional auch vor dem Verdichtungstakt (beispielsweise während, insbesondere gegen Ende eines Abgas-Ausstoßtakts) in die Vorkammer eingeleitet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Kraftstoff-Luftgemisch zweckmäßigerweise mittels eines Tankentlüftungssystems aus dem Kraftstofftank entnommen. Ein solches Tankentlüftungssystem ist vorzugsweise meist ohnehin vorhanden, um die mit Kraftstoffdampf angereicherte (insbesondere näherungsweise gesättigte) Atmosphäre im Kraftstofftank abführen zu können. Somit wird eine bereits vorhandene oder sogar vorgeschriebene Technik vorteilhaft genutzt, um das Kraftstoff-Luftgemisch bereitzustellen. Folglich kann zusätzlicher Installationsaufwand (Abzugsleitungen und dergleichen) entfallen oder zumindest weitestgehend (d. h. insbesondere auf die erforderliche Anbindung der Einspritzvorrichtung an das Tankentlüftungssystem) reduziert werden.
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Das erfindungsgemäße Verbrennungsmotorsystem für ein Kraftfahrzeug ist insbesondere zum Betrieb nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren eingerichtet. Das Verbrennungsmotorsystem umfasst somit den vorstehend beschriebenen (Verbrennungs-)Motor, der wiederum den wenigstens einen Hauptverbrennungsraum (Zylinderraum) aufweist. Des Weiteren umfasst das Verbrennungsmotorsystem die dem jeweiligen Hauptverbrennungsraum zugeordnete Vorkammer, die durch wenigstens einen der vorstehend beschriebenen Überströmkanäle mit dem zugeordneten Hauptverbrennungsraum strömungstechnisch verbunden ist. Ferner umfasst das Verbrennungsmotorsystem die der jeweiligen Vorkammer zugeordnete Einspritzvorrichtung zum Abgeben des Kraftstoff-Luftgemischs in die Vorkammer, sowie die jeweilige Zündvorrichtung.
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Vorzugsweise umfasst der Motor mehrere, beispielsweise drei oder mehr Hauptverbrennungsräume, denen jeweils eine Vorkammer, eine Einspritzvorrichtung sowie eine Zündvorrichtung zugeordnet sind.
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Da das erfindungsgemäße Verbrennungsmotorsystem zum Betrieb nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren ausgebildet ist, ergeben sich für das Verbrennungsmotorsystem ebenfalls die vorstehend beschriebenen Vorteile.
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In einer bevorzugten Ausführung handelt es sich bei der Einspritzvorrichtung um ein System zur Anreicherung des mageren Hauptkammergemischs innerhalb der Vorkammer, um für das Vorkammergemisch ein, eine insbesondere fehlersichere Zündung ermöglichendes (vorzugsweise annähernd stöchiometrisches oder sogar fettes) Mischungsverhältnis einzustellen.
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In einer zweckmäßigen Ausführung umfasst das Verbrennungsmotorsystem das vorstehend beschriebene Tankentlüftungssystem für den Kraftstofftank. Dieses Tankentlüftungssystem dient dabei insbesondere zum Abzug der mit Kraftstoffdampf angereicherten Atmosphäre aus dem Kraftstofftank. Insbesondere mittels dieses Tankentlüftungssystems ist die Einspritzvorrichtung mit dem Kraftstofftank des Kraftfahrzeugs zur Entnahme des Kraftstoff-Luftgemischs verbunden. Vorzugsweise sind das Tankentlüftungssystem sowie die damit verbundene Einspritzvorrichtung dazu eingerichtet, das Kraftstoff-Luftgemisch direkt (insbesondere als solches) aus dem Kraftstofftank zu entnehmen, so dass eine zusätzliche Anreicherung mit Kraftstoff (insbesondere außerhalb des Kraftstofftanks) entfallen kann. Somit kann das Verbrennungsmotorsystem besonders einfach aufgebaut sein, insbesondere da ein Tankentlüftungssystem ohnehin (d. h. auch bei einem Motor ohne Vorkammer) erforderlich ist.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst das vorstehend beschriebene Tankentlüftungssystem eine Pumpvorrichtung, beispielsweise einen Kompressor, um das Kraftstoff-Luftgemisch aus dem Kraftstofftank abzuziehen (abzusaugen) und einen zum Einbringen des Kraftstoff-Luftgemischs in die jeweilige Vorkammer erforderlichen Einspritzdruck aufzubringen. Letzterer variiert erkanntermaßen in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der Abgabe des Kraftstoff-Luftgemischs vor und/oder während des Verdichtungstakts, so dass bei einer frühzeitigen Abgabe ein geringer Einspritzdruck erforderlich ist und somit in diesem Fall auch eine Pumpvorrichtung mit vergleichsweise geringer Leistung eingesetzt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführung umfasst die jeweilige Einspritzvorrichtung ein insbesondere „einfaches“ oder handelsübliches Magnetventil zur Dosierung und Abgabe des Kraftstoff-Luftgemischs in die Vorkammer. In diesem Fall umfasst die jeweilige Einspritzvorrichtung zweckmäßigerweise auch ein zwischen die Vorkammer und das Magnetventil geschaltetes (vorzugsweise passives, bspw. federbelastetes) Rückschlagventil, das dabei insbesondere ausschließlich zur Abdichtung der Vorkammer gegen den Verdichtungs- und/oder Verbrennungsdruck dient. Mithin ist in dieser Ausführung kein spezielles Einspritzventil, insbesondere kein Direkteinspritzventil erforderlich. Derartige spezielle Ventile erfordern meist eine Steuerspannung, die gegenüber dem üblichen Spannungswert einer Bordspannung des Kraftfahrzeugs einen (deutlich) erhöhten Spannungswert aufweist, da sie üblicherweise eigenständig gegen den Verdichtungs- und/oder Verbrennungsdruck abdichten. Der Einsatz des im Vergleich zu einem Direkteinspritzventil einfacheren und günstigeren Magnetventils und des Rückschlagventils ist vorteilhafterweise dadurch ermöglicht, dass bereits ein (insbesondere dampfförmiges) Gemisch vorliegt, das mittels der Einspritzvorrichtung lediglich dosiert und in die Vorkammer eingeleitet werden muss. Eine vergleichsweise komplizierte und insbesondere teure Direkteinspritzung, insbesondere mit einer einhergehenden Zerstäubung des Kraftstoffs zur Gemischbildung innerhalb der Vorkammer kann somit entfallen. Außerdem ermöglicht die bereits vorstehend beschriebene, gegenüber flüssigem Kraftstoff vereinfachte Dosierung des (insbesondere dampfförmigen) Kraftstoff-Luftgemischs eine im Vergleich zu Flüssigeinspritzventilen vereinfachte Ventiltechnik. Des Weiteren erfordert der Einsatz des Magnetventils sowie des Rückschlagventils zumindest in unmittelbarer Umgebung der Vorkammer vorteilhafterweise vergleichsweise wenig Bauraum.
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Vorzugsweise umfasst das Verbrennungsmotorsystem auch eine Steuerelektronik (auch als Controller bezeichnet), die dazu eingerichtet ist, das Magnetventil insbesondere zeitgesteuert oder (wie vorstehend beschrieben) in Abhängigkeit von dem Zyklus des Motors und/oder des im jeweiligen Zylinderraum angeordneten Kolbens anzusteuern. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Controller zumindest im Kern durch einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Steuerung des Magnetventils in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht-programmierbares elektronisches Bauteil, z.B. einen ASIC, gebildet sein.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung umfasst das Verbrennungsmotorsystem ein Sensorsystem zur Überwachung des Kraftstoffanteils im Kraftstoff-Luftgemisch. Das Sensorsystem ist dabei vorzugsweise zur Messung in dem Tankentlüftungssystem eingerichtet. Das heißt, dass das Sensorsystem dazu eingerichtet ist, eine für den Kraftstoffanteil charakteristische Messgröße im Tankentlüftungssystem, insbesondere innerhalb einer (Rohr-)Leitung des Tankentlüftungssystems abzugreifen. Zweckmäßigerweise wird diese erfasste Messgröße zu Steuerung der Einspritzvorrichtung, insbesondere des Magnetventils herangezogen. Charakteristisch bedeutet hier und im Folgenden, dass die Messgröße eine quantitative Information über den Kraftstoffanteil beinhaltet, so dass dieser sich eindeutig aus der Messgröße ablesen lässt. Die Messgröße kann hierbei den Kraftstoffanteil unmittelbar angeben. Bei der Messgröße kann es sich aber auch um eine Größe handeln, die zu dem Kraftstoffanteil direkt oder indirekt proportional ist oder in einem nicht-linearen Verhältnis steht.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst das Tankentlüftungssystem eine Luftzufuhr in den Kraftstofftank, wobei ein tankseitiger Luftauslass dieser Luftzufuhr im Bereich eines Tankbodens des Kraftstofftanks (und somit vorzugsweise im befüllten Zustand des Kraftstofftanks unterhalb eines Kraftstoffspiegels) angeordnet ist. Die Luftzufuhr ist in diesem Fall insbesondere (steuerungstechnisch) dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der mittels des Sensorsystems erfassten Messgröße, insbesondere dem ermittelten Kraftstoffanteil Luft in den Kraftstofftank einzuleiten. Dadurch, dass der tankseitige Luftauslass im Bereich des Tankbodens angeordnet ist, bilden sich bei Lufteinleitung somit Blasen, die im Kraftstoff aufsteigen und dabei zu einer Erhöhung des Kraftstoffanteils in der Atmosphäre im Kraftstofftank führen. Dadurch können beispielsweise betriebs- und/oder klimabedingte Schwankungen des Kraftstoffanteils der Atmosphäre im Kraftstofftank ausgeglichen werden.
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In einer bevorzugten Ausführung beträgt das Volumen der oder der jeweiligen Vorkammer weniger als 5 %, vorzugsweise weniger als 2 % des Kompressionsvolumens.
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Um auch ohne aktive (Fluid-)Kühlung eines die jeweilige Vorkammer umgebenden Vorkammergehäuses einen temperaturbedingten Verschleiß des Vorkammergehäuses zu vermeiden, ist dieses Vorkammergehäuse in einer zweckmäßigen Ausführung aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig möglichst hoher mechanischer Festigkeit (um den bei der Verbrennung auftretenden hohen Druckwerten widerstehen zu können) gefertigt. Vorzugsweise kommen dabei (gegenüber unlegiertem Kupfer) hochfeste Kupferlegierungen oder (insbesondere gegenüber Stahl vergleichsweise hoch) wärmeleitfähige Keramiken zum Einsatz. Dadurch kann die bei der Verbrennung auftretende Wärme auf einfache Weise in einen dem Motor zugeordneten Zylinderkopf, in dem die jeweilige Vorkammer, bzw. deren Vorkammergehäuse vorzugsweise eingesetzt ist, abgeleitet werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung eines Verbrennungsmotorsystems ausschnitthaft vergrößert einen Teil eines Verbrennungsmotors mit einer Vorkammer,
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2 in einem schematischen Funktionsdiagramm das Verbrennungsmotorsystem, und
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3 in Ansicht gemäß 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotorsystems.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Ausschnitt eines Verbrennungsmotorsystems 1 dargestellt. Das Verbrennungsmotorsystem 1 umfasst einen schematisch angedeuteten (Verbrennungs-)Motor 2, der als Benzin-Ottomotor ausgebildet ist. In dem Motor 2 ist innerhalb eines Zylinders 4 ein Hauptverbrennungsraum (als Zylinderraum 6 bezeichnet) angeordnet. Das Verbrennungsmotorsystem 1 umfasst des Weiteren eine Vorkammer 8, die einen von einem zugeordneten (Vorkammer-)Gehäuse 9 umgebenen Vorkammer-Brennraum ausbildet und die in einem Zylinderkopf 10 des Motors 2 angeordnet ist. Die Vorkammer 8 (konkret deren Vorkammer-Brennraum) verjüngt sich in Richtung auf den Zylinderraum 6 über eine scharfe Kante 11 zu einem Hauptkanal 12, der an seinem zylinderseitigen Ende über mehrere Überströmkanäle 14 in Form von (schräg zu dem Hauptkanal 12 angesetzten) Bohrungen mit dem Zylinderraum 6 in strömungstechnischer Verbindung steht.
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Das Verbrennungsmotorsystem 1 umfasst außerdem eine Einspritzvorrichtung 16 und eine Zündvorrichtung in Form einer Zündkerze 18. Letztere ist in das Gehäuse 9 eingesetzt und dichtet die Vorkammer 8 zum dem Zylinder 4 abgewandten Ende hin ab. Die Einspritzvorrichtung 16 umfasst ein Magnetventil 20 und ein zwischen die Vorkammer 8 und das Magnetventil 20 geschaltetes Rückschlagventil 22.
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Die Einspritzvorrichtung 16 ist dazu eingerichtet, vor und/oder während eines Verdichtungstakts, in dem ein in dem zugeordneten Zylinder 4 angeordneter Kolben 24 (s. 2) sich in Richtung auf den Zylinderkopf 10 zubewegt, ein Kraftstoff-Luftgemisch in die Vorkammer 8 abzugeben. Das Magnetventil 20 ist dabei zur Dosierung der Menge des Kraftstoff-Luftgemischs eingerichtet. Das Kraftstoff-Luftgemisch reichert dabei ein in dem Verdichtungstakt in dem Zylinderraum 6 verdichtetes und dabei über die Überströmkanäle 14 in die Vorkammer 8 einströmendes Hauptkammergemisch mit mehr Kraftstoff an. Somit wird in der Vorkammer 8 ein „fetteres“ Vorkammergemisch als das Hauptkammergemisch gebildet. Die Kante 11 erzeugt beim Einströmen des Hauptkammergemischs in die Vorkammer 8 Turbulenzen. Das Hauptkammergemisch wird mittels einer herkömmlichen (Direkt-)Einspritzvorrichtung in dem Zylinderraum 6 aus dem gleichem Kraftstoff wie der des Kraftstoff-Luftgemischs und separat in den Zylinderraum 6 einströmender Luft gebildet (alternativ kann die Bildung des Hauptkammergemischs auch mittels einer sogenannten Saugkanaleinspritzung erfolgen).
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Das Vorkammergemisch wird anschließend mittels der Zündkerze 18 gezündet. Aufgrund der Verbrennung dehnen sich das Vorkammergemisch und/oder dessen (heiße) Verbrennungsgase aus und treten durch die Überströmkanäle 14 in den Zylinderraum 6 ein. Aufgrund der düsenartigen Überströmkanäle 14 bilden sich im Zylinderraum 6 schematisch angedeutete „Fackelstrahlen“ 26 (auch als „Jets“ bezeichnet) aus, die im Zylinderraum 6 (insbesondere im Vergleich zu einer herkömmlichen Zündung) starke Turbulenzen verursachen und dabei zur Zündung des Hauptkammergemischs an vielen Stellen und somit auch zu einer schnelleren und besseren (nahezu vollständigen) Verbrennung führen. Dabei können die Fackelstrahlen 26 sowohl aus (noch) brennendem oder aus bereits verloschenem Vorkammergemisch gebildet sein. In letzterem Fall sind in den Fackelstrahlen 26 aber dennoch reaktive Moleküle enthalten, die zu einer Zündung des Hauptkammergemischs führen.
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Das Volumen der Vorkammer 8 beträgt dabei etwa 1,6 % des Kompressionsvolumens, d. h. des Restvolumens des Zylinderraums 6, wenn der Kolben 24 am oberen Totpunkt angeordnet ist. Um eine Temperaturbelastung des Gehäuses 9 der Vorkammer 8 möglichst gering zu halten, ist das Gehäuse 9 aus einer hochfesten Kupferlegierung gefertigt. Dadurch kann die beim Verbrennen des Vorkammergemischs in das Gehäuse 9 eingebrachte Wärme innerhalb kurzer Zeit in den Zylinderkopf 10 abgeleitet werden.
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Wie in 2 dargestellt ist die Einspritzvorrichtung 16 und damit auch die Vorkammer 8 mittels eines Tankentlüftungssystems 28 mit einem Kraftstofftank 30 verbunden, die beide einen Teil des Verbrennungsmotorsystems 1 bilden. Über das Tankentlüftungssystem 28 wird – konkret von einer Oberseite des Kraftstofftanks 30 – das Kraftstoff-Luftgemisch als solches direkt aus dem Kraftstofftank 30 abgezogen (abgesaugt). Das heißt, dass zur Bereitstellung des Kraftstoff-Luftgemischs keine zusätzliche, außerhalb des Kraftstofftanks 30 angeordnete Anreicherungsvorrichtung erforderlich ist. Vielmehr liegt das Kraftstoff-Luftgemisch bereits innerhalb des Kraftstofftanks 30 vor. Das Tankentlüftungssystem 28 umfasst zur Entlüftung des Kraftstofftanks 30 sowie zur Erzeugung des erforderlichen Einspritzdrucks eine Pumpvorrichtung, konkret einen Kompressor 32.
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Das Verbrennungsmotorsystem 1 umfasst des Weiteren ein Sensorsystem 34 zur Ermittlung des Kraftstoffanteils in dem Tankentlüftungssystem 28. Das Sensorsystem 34 ist in einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Controller für die Einspritzvorrichtung 16 signalübertragungstechnisch verbunden. Der Controller ist dabei dazu eingerichtet, die Dosierung des Kraftstoff-Luftgemischs in Abhängigkeit von dem Kraftstoffanteil in dem im Tankentlüftungssystem 28 geführten Kraftstoff-Luftgemisch sowie von der Zusammensetzung des Hauptkammergemischs einzustellen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 3 umfasst das Verbrennungsmotorsystem 1 eine Luftzufuhr in Form einer Rohrleitung 36, die in den Kraftstofftank 30 führt und die mit einem ansteuerbaren Einlassventil 38 versehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine (nicht näher dargestellte) Steuerelektronik des Einlassventils 38 mit dem Sensorsystem 34 verschaltet. Die Steuerelektronik des Einlassventils 38 ist dabei dazu eingerichtet, bei einem geringen Kraftstoffanteil Luft in den Kraftstofftank 30 einzulassen. Die Rohrleitung 36 endet dabei im Bereich des Tankbodens des Kraftstofftanks 30, so dass sich beim Einlass von Luft eine Vielzahl von Blasen im Kraftstoff bilden, die den Kraftstoffanteil aufgrund einer Vergrößerung der Oberfläche von Kraftstoff zu Luft erhöhen.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Kraftstofftank 30 ein hochporöses oder schwammartiges Material angeordnet, in das der Kraftstoff eindringen kann, so dass sich eine im Vergleich zu einer einfachen Trennfläche zwischen Kraftstoff und Luft um ein Vielfaches größere Oberfläche bildet, die die Verdampfung von Kraftstoff begünstigt.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotorsystem
- 2
- Motor
- 4
- Zylinder
- 6
- Zylinderraum
- 8
- Vorkammer
- 9
- Vorkammergehäuse
- 10
- Zylinderkopf
- 11
- Kante
- 12
- Hauptkanal
- 14
- Überströmkanal
- 16
- Einspritzvorrichtung
- 18
- Zündkerze
- 20
- Magnetventil
- 22
- Rückschlagventil
- 24
- Kolben
- 26
- Fackelstrahl
- 28
- Tankentlüftungssystem
- 30
- Kraftstofftank
- 32
- Kompressor
- 34
- Sensorsystem
- 36
- Rohrleitung
- 38
- Einlassventil
