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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Brenngasinjektoren für die Ausdüsung hochdruckbeaufschlagten Brenngases mittels eines Steuerkreises hydraulisch über ein Steuerfluid zu steuern, wobei ein solches Steuerfluid zum Beispiel Flüssigkraftstoff ist oder ein Steueröl. Insbesondere bei Dual-Fuel-Injektoren, welche z.B. für einen Zündstrahlbetrieb mit Flüssigkraftstoff und Brenngas oder einen reinen Flüssigkraftstoffbetrieb vorgesehen sind, kann der Flüssigkraftstoff beispielsweise auch Steuerfluid sein. Steuerleckage aus dem hydraulischen Steuerkreis kann mit solchen Ausgestaltungen regelmäßig vorteilhaft einfach an eine Steuerfluid-Versorgungseinrichtung, zum Beispiel ein Vorratsbehältnis einer solchen, rückgeführt und im Wesentlichen ohne nennenswerten Nachbehandlungsaufwand wiederverwendet werden.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren bereitzustellen, im Rahmen derer ein alternatives Motorkonzept verwirklicht werden kann, insbesondere ebenfalls mit dem Vorteil, anfallende Injektor-Steuerleckage keiner aufwändigen Nachbehandlung unterziehen zu müssen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Brennkraftmaschine, welche insbesondere als Gasmotor, vorzugsweise als fremdgezündeter Gasmotor, ausgeführt ist, und welche weiterhin insbesondere für einen reinen bzw. ausschließlichen Brenngasbetrieb vorgesehen werden kann. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor und weiterhin als Großmotor ausgeführt, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, einer Lok oder eines Nutz- oder Sonderfahrzeugs, vorzugsweise z.B. eines seegängigen Fahrzeugs wie einem Schiff, oder zum Beispiel für eine stationäre Einrichtung vorgesehen, z.B. für ein Blockheizkraftwerk, ein (Not-)Stromaggregat, z.B. auch für Industrieanwendungen, allgemein sowohl für Anwendungen on-shore als auch offshore.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennkraftmaschine ist zur Durchführung eines Brenngas-Brennverfahrens mittels einer gespülten Vorkammer und einem Hauptbrennraum eingerichtet (welche hierbei insbesondere einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet sind). Bei einem solchen Brenngas-Brennverfahren mit gespülter Vorkammer wird diese - auf an sich bekannte Weise - insbesondere eigens mit Brenngas versorgt (insoweit „(brenngas)gespült“, i.e. je für eine nachfolgende Zündung in der Vorkammer). Insoweit unterscheidet sich das mit der Brennkraftmaschine vorgesehene Brenngas-Brennverfahren insbesondere von jenen mit einer sogenannten „ungespülten“ Vorkammer, bei welchem Hauptbrennkammer bzw. Hauptbrennraum und Vorkammer mit gleichem Brenngas-/Luft-Gemisch versorgt werden.
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Mit dem vorgesehenen Brenngas-Brennverfahren wird - ebenfalls auf an sich bekannte Weise - die Bildung eines sicher zündbaren Gemisches in der Vorkammer vorgesehen, und über die Zündung des Gemischs in der Vorkammer, insbesondere bewirkt mittels einer (Fremd-)Zündeinrichtung, die nachfolgende Zündung im Hauptbrennraum veranlasst. Für die Gewährleistung dieser Funktionalität weist die Vorkammer zum Beispiel Übertrittsöffnungen bzw. Kanäle auf, durch welche hindurch Gasstrahlen bzw. Fackelstrahlen (Pilot) nach Zündung des Vorkammergemischs in den Hauptbrennraum gelangen können, um darin die Zündung zu bewirken. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist hierbei vorgesehen, dass hochdruckbeaufschlagtes Brenngas direkt in den mittels der Vorkammerzündung (Pilot) erhitzten Hauptbrennraum zur Zündung darin eingedüst wird und im Rahmen des Brenngas-Brennverfahrens vorzugsweise mit einer Diffusionsverbrennung verbrennt.
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Die Brennkraftmaschine weist weiterhin einen Brenngasinjektor auf, welcher zur Ausdüsung von hochdruckbeaufschlagtem Brenngas in den Hauptbrennraum bereitgestellt ist, insbesondere wie vorstehend erörtert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Brenngasinjektor zum Beispiel ein „Mehrnadel-Brenngasinjektor“ sein, das heißt mit einer Mehrzahl an steuerbaren Düsenventilgliedern (zur selektiven Öffnung/Sperrung von Brenngas-Düsenöffnungen am Brenngasinjektor) oder zum Beispiel lediglich ein Brenngas-Düsenventilglied aufweisen.
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Hochdruckbeaufschlagtes Brenngas wird - im Rahmen eines Brennkraftmaschinenbetriebs bzw. bei dem erfindungsgemäßen Brenngas-Brennverfahren - zum Beispiel mit einem Druckniveau von 300 - 380 bar an den Brenngasinjektor versorgt, wobei das Brenngas vorzugsweise komprimiertes (gasförmiges) Erdgas ist (CNG; Compressed Natural Gas). Daneben sind selbstverständlich aber auch andere insbesondere gasförmige Brenngase zur Verwendung mit der Erfindung denkbar (zum Beispiel Sondergas, Deponiegas, Wasserstoff, Biogas, Methan, ...).
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennkraftmaschine ist weiterhin zur Steuerung des Brenngasinjektors, d.h. insbesondere in Hinblick auf die Steuerung eines Düsenventilglieds desselben (Steuerung in Öffnungs- bzw. Schließstellung), über einen Steuerkreis eingerichtet, in welchem das hochdruckbeaufschlagte Brenngas als Steuerfluid fungiert (im Falle der Verwendung von gasförmigem Brenngas im Steuerkreis ist die Brennkraftmaschine insoweit zur pneumatischen Steuerung des Brenngasinjektors über den Steuerkreis eingerichtet, bei Verwendung von flüssigem Brenngas insoweit zur hydraulischen Steuerung über den Steuerkreis). Bevorzugt ist der Brenngasinjektor im Rahmen der vorliegenden Erfindung indirekt gesteuert, das heißt über ein Steuerventil bzw. ein Pilotventil des Steuerkreises (mit dessen Betätigung sodann das insbesondere mittels des Düsenventilglieds gebildete Düsenventil arbeitet).
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Exemplarisch kann der Steuerkreis des Brenngasinjektors ausgestaltet sein, ein Düsenventilglied des Brenngasinjektors über einen Steuerraum steuern zu können, welcher in Abhängigkeit der Steuerstellung des Pilotventils selektiv - via das hochdruckbeaufschlagte, als Steuerfluid fungierende Brenngas - druckbelastet oder entlastet wird (wobei vorzugsweise weiterhin der Brenngas-System(hoch)druck am Brenngasinjektor zur Steuerung Verwendung findet).
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Alternativ dazu kann der Steuerkreis zum Beispiel derart ausgestaltet sein, dass ein Düsenventilglied über zwei Steuerräume des Steuerkreises steuerbar ist, welche wechselweise - über das als Steuerfluid fungierende, hochdruckbeaufschlagte Brenngas - steuerdruckbelastbar und entlastbar sind, das heißt wiederum in Abhängigkeit der Steuerstellung des Pilotventils. Hierbei sind die Steuerräume vorzugsweise durch einen Kolben voneinander volumenvariabel getrennt, woneben der Kolben weiterhin mit dem Düsenventilglied insbesondere wirkverbunden ist (Kolbensteueranordnung). Andere Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Steuerkreises sind daneben selbstverständlich auch denkbar.
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Im Rahmen der Steuerung des Brenngasinjektors über den Steuerkreis fällt weiterhin Brenngas-Steuerleckage an (Brennkraftmaschinenbetrieb), d.h. Leckage in Form von Brenngas. Der Anfall von Brenngas-Steuerleckage geht im Rahmen der Erfindung zum Beispiel regelmäßig mit Schaltvorgängen des Steuerventils des Steuerkreises einher, insbesondere z.B. falls damit ein zuvor - via das hochdruckbeaufschlagte Brenngas, welches im Steuerkreis als Steuerfluid fungiert - belasteter Steuerraum oder ein belastetes Volumen entlastet wird.
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Insbesondere nunmehr einhergehend mit dem eingangs geschilderten Vorteil, keine aufwändige Brenngas-Steuerleckagebehandlung erforderlich zu machen, ist die Brennkraftmaschine erfindungsgemäß weiterhin zur Ableitung der angefallenen Brenngas-Steuerleckage an die Vorkammer zu deren Speisung eingerichtet (d.h. insbesondere zur (Brenngas-)Spülung der Vorkammer mittels Speisung derselben via die abgeleitete Brenngas-Steuerleckage).
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Derart ausgestaltet kann die angefallene Brenngas-Steuerleckage, welche regelmäßig ein Drucknivau z.B. unterhalb 10bar aufweist, im Rahmen des Brennkraftmaschinenbetriebs bzw. des damit vorgesehenen Brenngas-Brennverfahrens somit vorteilhaft einfach mitverbrannt werden, d.h. im Rahmen einer Zündung der Brenngas-Steuerleckage in der Vorkammer, wobei weder eine aufwändige Nachbehandlung, zum Beispiel in Form eines erneuten Verdichtens oder eine Verflüssigung für zum Beispiel eine anschließend vorgesehene Niederdruckbevorratung, noch kostspielige Infrastruktur erforderlich werden. Mit der erfindungsgemäßen Steuerleckageableitung wird daneben ersichtlich auch ein Motorkonzept vorteilhaft einfach realisierbar, bei welchem das hochdruckbeaufschlagte Brenngas auch für die Brenngasinjektorsteuerung verwendet wird.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der Brennkraftmaschine ist diese insoweit eingerichtet, die angefallene Brenngas-Steuerleckage nachbehandlungsfrei und/oder direkt (unmittelbar) an die Vorkammer zu deren Speisung abzuleiten. Vorgesehen ist insbesondere, dass - zumindest bei Brennkraftmaschinenbetrieb - die abgeleitete Brenngas-Steuerleckage dauerhaft an der Vorkammer zu deren Speisung ansteht. Insoweit ist die Brennkraftmaschine mit solchen Ausgestaltungen vorzugsweise eingerichtet, die Brenngas-Steuerleckage kontinuierlich aus dem Steuerkreis an die Vorkammer zu deren Speisung zuzufördern.
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In vorteilhaft konkreter Ausgestaltung der Brennkraftmaschine kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass diese einen Leitungsweg (z.B. Kanal, Rohr, Schlauch) aufweist, welcher von einem Steuerleckageauslass des Steuerkreises (bzw. des Brenngasinjektors) an die Vorkammer zu deren Speisung führt, insbesondere direkt. Hieraus ergeben sich äußerst kostengünstige und unaufwändige Lösungen, welche insbesondere auch mit vorteilhaft kurzen Leitungslängen einhergehen können.
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Bei Bedarf kann ein Leitungsquerschnitt z.B. auch so dimensioniert oder gewählt werden, dass diesem eine Zwischenspeicherfunktionalität zukommen kann, daneben kann in sinnvoller Ausgestaltung zum Beispiel eine Absperr- und/oder auch eine Druckeinstellvorrichtung im Leitungsweg erwogen werden, zum Beispiel auch ein Entlastungsvolumen im Leitungsweg (mittels welchem z.B. eine hinreichende Entlastung der Steuerräume sichergestellt werden kann) oder ein eigens bereitgestellter Brenngas-Steuerleckagespeicher (Volumen). Gerade in solcher Weiterbildung erscheint es gangbar, die Vorkammer z.B. ausschließlich via die abgesteuerte Brenngas-Steuerleckage zu speisen. Eine zusätzliche Brenngasversorgung (insbesondere Niederdruck) kann hierbei z.B. vorteilhaft entfallen.
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Geführt an die Vorkammer kann ein die Brenngas-Steuerleckage führender Leitungsweg zum Beispiel an einem (Speise-)Einlass der Vorkammer ausmünden. Ein solcher Einlass kann zum Beispiel durch einen Ventilanschluss an der Vorkammer gebildet sein, i.e. eines dort bereitgestellten Dosierventils für die bedarfsgerechte Brenngas-Speisung zur Spülung der Vorkammer, z.B. auch an einem Einlassraum der Vorkammer, welcher insbesondere hin zur Vorkammer selektiv auf-/zusteuerbar ist.
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Mit der wie vorstehend erörterten Brennkraftmaschine wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ferner die Bildung einer Anordnung vorgeschlagen, welche Anordnung ferner eine Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke zur Zufuhr von niederdruckbeaufschlagtem, insbesondere gasförmigem Brenngas an die Vorkammer aufweist (zum Beispiel mit einem Druckniveau von 6 bis 8 bar).
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Eine solche Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke kann das niederdruckbeaufschlagte Brenngas z.B. durch Verdampfen von verflüssigtem Brenngas aus einem Flüssiggasvorrat bereitstellen (wie dieser oftmals an Bord von Wasserfahrzeugen ohnehin vorhanden ist). Verflüssigtes Brenngas kann hierbei insbesondere flüssiges Erdgas sein (LNG; liquefied natural gas). Alternativ kann die Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke selbstverständlich auch anderweit zur Versorgung von niederdruckbeaufschlagtem, insbesondere gasförmigen Brenngas an die Vorkammer eingerichtet sein. Zum Beispiel kann die Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke bei alternativen Ausgestaltungen mittels eines Versorgungsnetzes gebildet sein, insbesondere das Brenngas zur Entnahme bereits geeignet aufbereitet bereitstellend.
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Eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine, welche weiterhin eine insbesondere wie oben erörterte Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke aufweist, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise auch eingerichtet, niederdruckbehaftetes Brenngas seitens der Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke zu der angefallenen und an die Vorkammer abgeleiteten Brenngas-Steuerleckage zur Speisung der Vorkammer zudosieren zu können, insbesondere je (druck)bedarfsabhängig (zum Beispiel zur Kompensation von Druckschwankungen seitens der abgeleiteten Brenngas-Steuerleckage). Insoweit ist mit solchen Ausführungsformen die Speisung der Vorkammer vorzugsweise sowohl über die Brenngas-Niederdruckversorgungsstrecke als auch die Brenngas-Steuerleckage bzw. deren Leitungsweg ermöglicht, insbesondere mit variablen jeweiligen Anteilen.
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Insbesondere mit solchen Ausgestaltungen kann in der Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke beispielsweise eine Ventilvorrichtung vorgesehen werden, insbesondere ein Druckregelventil (insbesondere abströmseitig an der Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke). Hierüber kann eine ventilgesteuerte Zuspeisung seitens der Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke erfolgen, mithin der Druck des Brenngases zur Speisung der Vorkammer vorteilhaft einfach konstant gehalten werden (somit auch eine gleichbleibend präzise Befüllung derselben im Rahmen der Spülung gewährleistet werden).
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Insbesondere bei einer wie vorstehend eingerichteten Anordnung kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke und ein Leitungsweg zur Ableitung der angefallenen Brenngas-Steuerleckage an die Vorkammer abströmseitig zur gemeinsamen Speisung der Vorkammer zusammengeführt sind, wobei eine wie vorstehend erörterte Ventilvorrichtung insbesondere stromauf der Zusammenführung in der Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke angeordnet ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Durchführung mit (dem Betrieb) einer Brennkraftmaschine, insbesondere wie vorstehend erörtert, vorgeschlagen, welche allgemein einen Steuerkreis sowie einen darüber gesteuerten Brenngasinjektor aufweist, wobei in dem Steuerkreis hochdruckbeaufschlagtes Brenngas als Steuerfluid fungiert, und wobei die Brennkraftmaschine weiterhin eine Vorkammer und einen Hauptbrennraum aufweist (insbesondere eines Zylinders der Brennkraftmaschine). Verfahrensgemäß wird hierbei Brenngas-Steuerleckage aus dem Steuerkreis an die Vorkammer, welche insbesondere eine gespülte Vorkammer ist, zu deren Speisung mit der Brenngas-Steuerleckage abgeleitet.
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In Weiterbildung des Verfahrens wird nach Speisung der Vorkammer mit der Brenngas-Steuerleckage sodann das mittels der Brenngas-Steuerleckage gebildete Gemisch in der Vorkammer gezündet und mittels der Vorkammer-Zündung sodann eine Zündung im Hauptbrennraum, insbesondere darin eingebrachten, hochdruckbeaufschlagten Brenngases, bewirkt. Auch im Rahmen des vorliegenden Verfahrens wird das hochdruckbeaufschlagte Brenngas hierbei vorzugsweise über den Brenngasinjektor in den Hauptbrennraum ausgedüst (und vorzugsweise im Rahmen der vorgesehenen Diffusionsverbrennung verbrannt).
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Beachtlich ist auch im Rahmen des Verfahrens, welches einen insbesondere reinen Brenngasbetrieb vorsieht, dass bei diesem die Verbrennung nur eines einzigen Kraftstoffs in Form von Brenngas sowohl in der Vorkammer als auch im Hauptbrennraum vorgesehen ist, wobei die Vorkammer erkennbar niederdruckgespeist und der Hauptbrennraum hochdruckbeaufschlagt gespeist wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in verschiedener Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 exemplarisch und schematisch eine Brennkraftmaschine gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung.
- 2 exemplarisch und schematisch eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung.
- 3 exemplarisch und schematisch eine Anordnung mit einer Brennkraftmaschine gemäß noch einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt eine Ansicht einer Brennkraftmaschine 1, welche Brennkraftmaschine 1 zur Durchführung eines Brenngas-Brennverfahrens mittels gespülter Vorkammer 3 und Hauptbrennraum 5 eingerichtet ist. Im Rahmen des Brenngas-Brennverfahrens wird bei einer jeweiligen Verbrennung, insbesondere in einem jeweiligen Verbrennungstakt, Brenngas - im Rahmen eines darin gebildeten, zündfähigen Gemischs - in der Vorkammer 3 gezündet, und mittels der Vorkammerzündung sodann eine Entflammung im Hauptbrennraum bewirkt, wobei in den Hauptbrennraum eingebrachtes Brenngas hierbei insbesondere im Rahmen einer Diffusionsverbrennung verbrennt. Insoweit wird mit der Brennkraftmaschine 1 ein Brennverfahren vorgesehen, welches ausschließlich mit Brenngas, zum Beispiel und vorzugsweise in Form von Erdgas, durchgeführt wird.
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Wie 1 dies auch veranschaulicht, ist die Vorkammer 3 an einem Zylinderkopf bzw. Brennraumdeck 7 der Brennkraftmaschine 1 gebildet und ragt hierbei in den Hauptbrennraum 5 des Zylinders hinein. An der Vorkammer 3 sind Überströmöffnungen bzw. Kanäle 9 gebildet, welche mit dem Hauptbrennraum 5 kommunizieren, und welche bereitgestellt sind, den Übertritt von Heißgasstrahlen (Fackelstrahlen; Pilot) resultierend aus der Vorkammerzündung in den Hauptbrennraum 5 zu ermöglichen, d.h. zur nachfolgenden Zündung von Brenngas im Hauptbrennraum 5 mittels derselben. Die Zündung des Vorkammergemischs erfolgt mittels einer Fremdzündeinrichtung 11 wie zum Beispiel einer Zündkerze.
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Zur Einbringung von Brenngas in den Hauptbrennraum 5 weist die Brennkraftmaschine 1 einen Brenngasinjektor 13 auf, über welchen hochdruckbeaufschlagtes Brenngas in den Hauptbrennraum 5 ausdüsbar ist (der besseren Übersichtlichkeit halber ist der Brenngasinjektor 13 in den Figuren separat vom Brennraum 5 dargestellt). Das auszudüsende, hochdruckbeaufschlagte Brenngas, im Rahmen der Erfindung zum Beispiel komprimiertes Erdgas (CNG), kann hierbei z.B. ein Druckniveau von ca. 300 bis 380 bar aufweisen.
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Der Brenngasinjektor 13 weist ein hubverschiebliches bzw. hubsteuerbares Düsenventilglied 15 auf, insbesondere in einem Injektorgehäuse 17 aufgenommen und geführt, welches zur Bildung eines Düsenventils 19 mit einem Düsenventilsitz 21 zusammen wirkt. In Abhängigkeit der Stellung des Düsenventilglieds 15 kann somit ein Strömungsweg von einem Brenngas-Düsenraum 23 zu einer (Brenngas-)Düsenanordnung 25 des Brenngasinjektors 13 gesperrt oder freigegeben werden, d.h. zur selektiven Ausdüsung von Brenngas in den Hauptbrennraum 5. Zur Versorgung von hochdruckbeaufschlagtem Brenngas an den Brenngas-Düsenraum 23 weist die Brennkraftmaschine 1 einen Hochdruckkanal 27 auf, zum Beispiel abmündend von einer quellenseitig gespeisten Versorgungsleitung 29.
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Zur Steuerung des Brenngasinjektors 13, das heißt insbesondere dessen Düsenventilglieds 15, weist die Brennkraftmaschine 1 weiterhin einen Steuerkreis 31 auf, in welchem das hochdruckbeaufschlagte Brenngas als Steuerfluid fungiert bzw. Steuerfluid ist.
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Der Steuerkreis 31 umfasst ein Pilotventil bzw. ein Steuerventil 33 sowie eine Kolbensteueranordnung 35 mit einem ersten 37 und einem zweiten 39 Steuerraum sowie weiterhin einen dieselben voneinander trennenden Kolben 41. Die Steuerräume 37, 39 sind in der Hubrichtung des Düsenventilglieds 15 an entgegengesetzten Seiten des Kolbens 41 gebildet und können für eine Verschiebung des Kolbens 41 in Richtung des einen 37 oder des anderen 39 Steuerraums über das Steuerventil 33, welches vorliegend bevorzugt als 4/2-Wege-Ventil ausgestaltet ist, sowie Leitungswege des Steuerkreises 31 wechselweise belastet oder entlastet werden.
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Eine erste Leitung 43 des Steuerkreises 31 ist hierbei zur Bereitstellung des Steuerfluids in Form des hochdruckbeaufschlagten Brenngases an das Steuerventil 33 geführt, zum Beispiel seitens der Brenngas-Versorgungsleitung 29 des Brenngasinjektors 13 oder allgemein ausgehend von einer Hochdruck-Quellenseite, eine zweite Leitung 45 des Steuerkreises 31 ist bereitgestellt, Steuerfluid abzuführen, welches als Brenngas-Steuerleckage im Rahmen der Steuerung des Brenngasinjektors 13 anfällt (und welche Brenngas-Steuerleckage insoweit insbesondere niederdruckbehaftet ist). Das Steuerventil 33 kommuniziert weiterhin über eine dritte und eine vierte Leitung 47, 49 mit den Steuerräumen 37 bzw. 39.
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Der Kolben 41 nunmehr ist mit dem Düsenventilglied 15 (wirk)verbunden, so dass mit einer Verschiebung des Kolbens 41 eine Mitverschiebung des Düsenventilglieds 15 einhergeht. Im Rahmen einer gesteuerten Verschiebung des Kolbens 41 - via den Steuerkreis 31 - kann somit die beabsichtigte (Hub-)Steuerung des Düsenventilglieds 15 bewirkt werden. Hierauf wird nachfolgend kurz eingegangen.
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In der in 1 veranschaulichten Stellung des Steuerventils 33 ist der düsenfernere Steuerraum 37 via das Steuerfluid in Form des hochdruckbeaufschlagten Brenngases belastet, während der düsennähere Steuerraum 39 via Absteuerung von Brenngas-Steuerleckage entlastet ist (das heißt Brenngas-Steuerleckage fällt seitens des düsennäheren Steuerraums 39 an). In der Folge wird der Kolben 41 und damit das Düsenventilglied 15 in Schließstellung gedrängt.
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Schaltet das Steuerventil 33 um (zweite Stellung; nicht dargestellt), wird der düsennähere Steuerraum 39 nunmehr in Kommunikation mit der Brenngas-Hochdruckseite 29 geschaltet, d.h. belastet über die erste Leitung 43 und die dritte Leitung 47, während der düsenfernere Steuerraum 37 nun entlastet wird, das heißt über die zweite Leitung 45 und die vierte Leitung 49 (wobei Brenngas-Steuerleckage nun seitens des düsenferneren Steuerraums 37 anfällt). In der Folge wird der der Kolben 41 und somit das Düsenventilglied 15 in Öffnungsrichtung gedrängt, das heißt das Düsenventil 19 öffnet und ein Ausdüsen von Brenngas über die Brenngas-Düsenanordnung 25 ist ermöglicht.
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Wie 1 dies nunmehr auch veranschaulicht, ist die Brennkraftmaschine 1 weiterhin zur Ableitung der angefallenen Brenngas-Steuerleckage an die Vorkammer 3 zu deren Speisung eingerichtet, das heißt zur Spülung derselben im Rahmen der Speisung. Insoweit wird mit der aufgezeigten Lösung die Brenngas-Steuerleckage vorteilhaft zur Gemischbildung (zündbares Gemisch) in der Vorkammer 3 genutzt, insoweit verbrannt, so dass eine aufwändige Nachbehandlung nicht erforderlich ist.
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Vorgesehen ist hierbei insoweit, dass die Brennkraftmaschine 1 befähigt ist, die angefallene Brenngas-Steuerleckage nachbehandlungsfrei und auch direkt an die Vorkammer 3 zu deren Speisung abzuleiten, insbesondere auch derart, dass die abgeleitete Brenngas-Steuerleckage dauerhaft an der Vorkammer 3 zu deren Speisung ansteht (zumindest bei Brennkraftmaschinenbetrieb). Bewirkt werden kann dies zum Beispiel über einen Leitungsweg, vorliegend zum Beispiel in Form der zweiten Leitung 45, welcher die angefallene Brenngas-Steuerleckage aus dem Steuerkreis 31 an die Vorkammer 3 zu deren Speisung führt. Zum Beispiel kann der Leitungsweg 45 hierbei einen Brenngas-Steuerleckageauslass (nicht explizit veranschaulicht) am Brenngasinjektor 13 mit einem Einlassanschluss 51 an der Vorkammer 3 kommunizierend verbinden. Bei Bedarf kann ggf. auch ein Pufferspeicher in dem Leitungsweg 45 vorgesehen werden (gestrichelt in 1 eingezeichnet).
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Das am Einlassanschluss 51 der Vorkammer 3 somit anstehende, insbesondere niederdruckbehaftete, Brenngas in Form der abgeleiteten Brenngas-Steuerleckage kann sodann zur Gemischbildung bzw. Speisung der Vorkammer 3 in beabsichtigter Weise in dieselbe dosiert werden, wozu an der Vorkammer 3 eine Dosiervorrichtung 53 vorgesehen ist, allgemein zum Beispiel in Form eines Ventils wie etwa eines Tellerventils. Die Steuerung der Dosiervorrichtung 53 sowie der Fremdzündeinrichtung 11 der Vorkammer 3 kann hierbei zum Beispiel von einem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine 1 geleistet werden (nicht dargestellt).
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Bei einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine 1 gemäß 1 kann zum Beispiel vorgesehen sein, die Vorkammer 3 ausschließlich mit abgeleiteter Brenngas-Steuerleckage zu speisen.
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2 zeigt nunmehr eine Anordnung 55 mit einer Brennkraftmaschine 1, wobei die Anordnung 55 weiterhin eine Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke 57 zur Zufuhr von niederdruckbeaufschlagtem Brenngas an die Vorkammer 3 der Brennkraftmaschine 1 aufweist. Die Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke 57 kann quellenseitig, Bz. 59, zum Beispiel mit einem Versorgungsnetz verbunden sein, aus welchem das Brenngas zum Beispiel mit einem beabsichtigten Druckniveau von 6 bis 8 bar versorgbar ist.
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Bei der in 2 dargestellten Anordnung 55 ist die Brennkraftmaschine 1 auch eingerichtet, niederdruckbehaftetes Brenngas seitens der Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke 57 zu der angefallenen und an die Vorkammer 3 abgeleiteten Brenngas-Leckage zur Speisung der Vorkammer 3 zudosieren zu können, insbesondere (druck)bedarfsabhängig.
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Vorliegend sind die Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke 57 und der Leitungsweg 45 zur Ableitung der angefallenen Brenngas-Steuerleckage an die Vorkammer 3 abströmseitig zur gemeinsamen Speisung der Vorkammer 3 zum Beispiel vorteilhaft einfach zusammengeführt (alternativ können die Abströmseiten der Leitung 45 und der Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke 57 z.B. auch separat an die Vorkammer 3 zu deren Speisung geführt sein). Die Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke 57 zweigt hierbei abströmseitig in die die Brenngas-Steuerleckage führende Leitung 45 ein. Ersichtlich ist bei der Anordnung 55 hierbei auch eine Ventilvorrichtung 61 in der Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke 57 vorgesehen, insbesondere stromauf der Zusammenführung bzw. Einzweigung. Eine solche insbesondere verstellbare Ventilvorrichtung 61 weist bevorzugt z.B. ein Druckregelventil auf, mit welchem das Brenngas-Druckniveau einlassseitig an der Vorkammer 3 auf einen vorgesehenen, insbesondere konstanten Wert regelbar ist.
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Im Unterschied zu der Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach 1 ist bei der Brennkraftmaschine nach 2 zum Beispiel ein Einlassraum 63 der Vorkammer 3 veranschaulicht, an welchen das Brenngas zu deren Speisung zuführbar ist. Eine bedarfsgerechte Speisung der Vorkammer 3 zur Spülung derselben kann sodann durch Öffnen einer Dosiervorrichtung 53 am Einlassraum 63 hin zum Hauptbrennraum 5 erfolgen. Bei einer solchen Ausgestaltung kann zum Beispiel eine Druckregelung auch am Einlassraum 63 ansetzen.
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3 zeigt nunmehr eine Anordnung 55 mit einer Brennkraftmaschine 1 analog zu der Ausgestaltung nach 2, wobei im Unterschied dazu die Brennkraftmaschine 1 einen Brenngasinjektor 13 aufweist, welcher über einen Steuerkreis 31 mit einem einzigen Steuerraum 37 via hochdruckbeaufschlagtes Brenngas als Steuerfluid (unter Nutzung des Brenngas-Systemhochdrucks) steuerbar ist, insbesondere wiederum indirekt über ein Steuerventil 33 des Steuerkreises 31.
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Auch hierbei weist der Brenngasinjektor 13 analog zur Ausgestaltung nach 1 oder 2 ein hubverschiebliches bzw. hubsteuerbares Düsenventilglied 15 auf, welches zur Bildung eines Düsenventils 19 mit einem Düsenventilsitz 21 zusammenwirkt. In Abhängigkeit der Stellung des Düsenventilglieds 15 kann somit wiederum ein Strömungsweg von einem Brenngas-Düsenraum 23 zu einer Brenngas-Düsenanordnung 25 des Brenngasinjektors 13 gesperrt oder freigegeben werden, d.h. zur selektiven Ausdüsung von Brenngas in den Hauptbrennraum 5. Zur Versorgung von hochdruckbeaufschlagtem Brenngas an den Brenngas-Düsenraum 23 weist die Brennkraftmaschine 1 ebenfalls in analoger Weise einen Hochdruckkanal 27 auf, zum Beispiel abmündend von einer quellenseitig gespeisten Hochdruck-Versorgungsleitung 29.
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Im Unterschied nunmehr zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist das Düsenventilglied 15 mit einer Druckschulter 65 ausgestaltet, gegen welche der Brenngas-Systemhochdruck ausgehend vom Brenngas-Düsenraum 23 wirkt, wobei eine Schließfeder 67, gefangen zwischen einer Führungshülse 69 und der Druckschulter 65 weiterhin eine Schließkraft auf das Düsenventilglied 15 ausübt.
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Der Steuerkreis 31 umfasst auch hier ein Pilotventil bzw. ein Steuerventil 33, welches im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform jedoch als 2/2-Wege-Ventil (oder z.B. auch als 3/2-Wege-Ventil) ausgeführt sein kann. Weiterhin im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst der Steuerkreis 31 hierbei jedoch lediglich einen Steuerraum 37 zur Steuerung des Düsenventilglieds 15, welcher mit der Führungshülse 69 und einem Deckelelement 71 des Injektorgehäuses 17 am düsenfernen Ende des Düsenventilglieds 15 gebildet ist. Über Leitungswege des Steuerkreises 31 kann der Steuerraum 37 belastet oder entlastet werden, d.h. via das Steuerfluid in Form des hochdruckbeaufschlagten Brenngases.
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Eine erste Steuerleitung 73 des Steuerkreises 31 ist hierbei zur Versorgung des Steuerfluids in Form des hochdruckbeaufschlagten Brenngases an den Steuerraum 37 geführt, zum Beispiel seitens der Brenngas-Versorgungsleitung 29 des Brenngasinjektors oder allgemein ausgehend von einer Hochdruck-Quellenseite. Über die erste Steuerleitung 73, welche insbesondere eine Drossel aufweist, kann der Steuerraum 37 somit via das hochdruckbeaufschlagte Brenngas (Steuerfluid) belastet werden.
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Weiterhin weist der Steuerkreis 31 eine zweite Steuerleitung 75 auf (mit anströmseitiger Drossel), welche vom Steuerraum 37 über das Steuerventil 33 geführt ist, und welche bereitgestellt ist, Steuerfluid aus dem Steuerraum 37 mit Entlastung desselben abführen zu können, insoweit wiederum Brenngas-Steuerleckage, welche im Rahmen der Steuerung des Brenngasinjektors 13 anfällt.
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Auf die Funktionalität dieses Brenngasinjektors 13 wird nachfolgend auch kurz eingegangen.
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In der in 1 veranschaulichten Stellung des Steuerventils 33 ist der Steuerraum 37 via Absteuerung des Steuerfluids in Form des hochdruckbeaufschlagten Brenngases entlastet, das heißt Brenngas-Steuerleckage fällt an, das Schließkräftegleichgewicht an dem Düsenventilglied 15 wird weiterhin aufgelöst. Unterstützt durch den Systemdruck seitens des Brenngas-Düsenraums 23 wird das Düsenventilglied 15 in Richtung Öffnungsstellung aus dem Sitz 21 gedrängt, i.e. das Düsenventil 19 öffnet und ein Ausdüsen von Brenngas über die Brenngas-Düsenanordnung 25 ist ermöglicht.
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Schaltet das Steuerventil 33 um (zweite Stellung; nicht dargestellt), ist die Entlastung des Steuerraums 37 gestoppt, über die erste Steuerleitung 73 wird der Druck im Steuerraum 37 wieder aufgebaut. Unterstützt durch die Schließkraft der Schließfeder 67 wird das Düsenventilglied 15 in der Folge in Schließrichtung geträngt, das heißt zurück in den Sitz 21.
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Wie 3 veranschaulicht, ist die Brennkraftmaschine 1 auch bei dieser Ausgestaltung zur Ableitung der angefallenen Brenngas-Steuerleckage an die Vorkammer 3 zu deren Speisung eingerichtet, i. e. zur Spülung derselben im Rahmen der Speisung. Insoweit wird auch mit dieser aufgezeigten Lösung die Brenngas-Steuerleckage vorteilhaft zur Gemischbildung (zündbares Gemisch) in der Vorkammer 3 genutzt, insoweit verbrannt, so dass auch hier eine aufwändige Nachbehandlung nicht erforderlich ist.
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Im Unterschied zu der Ausgestaltung nach 2 weist die Anordnung 55 nach 3 weiterhin zum Beispiel eine Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke 57 auf, welche mittels eines Verdampfers 77 gebildet ist, wobei auch diese Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke 57 eine Ventilvorrichtung 61 vorsieht, insbesondere eine Druckreguliervorrichtung. Im Rahmen dieser Ausgestaltung kann Brenngas quellenseitig, Bz. 59, zum Beispiel aus einem Vorrat versorgt werden, in welchem das Brenngas zum Beispiel verflüssigt bevorratet wird, vorzugsweise in Form von verflüssigtem Erdgas (LNG).
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Im Rahmen der Anordnung 55 nach 3 wird im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Brennkraftmaschine 1 weiterhin auch ein Dosierventil 53 an der Vorkammer 3 veranschaulicht, welches exemplarisch als Niederdruckinjektor ausgestaltet ist. Weiterhin kann zur Fremdzündung des Vorkammergemischs zum Beispiel eine Laserzündeinrichtung 11 an der Vorkammer 3 vorgesehen sein (elektrische Steuerleitungen sind hier exemplarisch abschnittsweise mit veranschaulicht).
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Mit den anhand der 1 mit 3 dargestellten Ausführungsformen der Brennkraftmaschine 1 bzw. der Anordnung 55 ist somit ein Verfahren durchführbar, bei welchem Brenngas-Steuerleckage aus einem Steuerkreis 31 eines Brenngasinjektors 12 an eine Vorkammer 3 zu deren Speisung mit der Brenngas-Steuerleckage abgeleitet wird. Nach Speisung der Vorkammer 3 mit der Brenngas-Steuerleckage kann das mittels der Brenngas-Steuerleckage gebildete Gemisch in der Vorkammer 3 sodann gezündet werden, das heißt insbesondere mit einer jeweiligen Fremdzündeinrichtung 11.
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Nach Zündung des Vorkammergemischs kann sodann hochdruckbeaufschlagtes Brenngas (insbesondere CNG) über den Brenngasinjektor 13 in den mit der Vorkammer 3 wirkverbundenen Hauptbrennraum 5 ausgedüst werden, insbesondere unmittelbar nach Vorkammerzündung, wobei aufgrund der vorangegangenen Vorkammerzündung sodann eine Zündung im Hauptbrennraum 5, insbesondere des eingedüsten, hochdruckbeaufschlagten Brenngases, bewirkt wird. Mit kontinuierlicher Durchführung des Verfahrens kann der Vorkammer 3 insoweit mit einer jeden Verbrennung bzw. einem jeden Verbrennungstakt Brenngas-Steuerleckage zu deren Speisung zugeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 3
- Vorkammer
- 5
- Hauptbrennraum
- 7
- Brennraumdeck
- 9
- Kanal
- 11
- Fremdzündeinrichtung
- 13
- Brenngasinjektor
- 15
- Düsenventilglied
- 17
- Injektorgehäuse
- 19
- Düsenventil
- 21
- Düsenventilsitz
- 23
- Brenngas-Düsenraum
- 25
- Düsenanordnung
- 27
- Hochdruckkanal
- 29
- Versorgungsleitung
- 31
- Steuerkreis
- 33
- Steuerventil
- 35
- Kolbensteueranordnung
- 37
- Steuerraum (düsenferner)
- 39
- Steuerraum (düsennäher)
- 41
- Kolben
- 43
- erste Leitung
- 45
- zweite Leitung
- 47
- dritte Leitung
- 49
- vierte Leitung
- 51
- Einlassanschluss
- 53
- Dosiervorrichtung
- 55
- Anordnung
- 57
- Niederdruck-Brenngasversorgungsstrecke
- 59
- Quelle
- 61
- Ventilvorrichtung
- 63
- Einlassraum
- 65
- Druckschulter
- 67
- Schließfeder
- 69
- Führungshülse
- 71
- Deckelelement
- 73
- erste Steuerleitung
- 75
- zweite Steuerleitung
- 77
- Verdampfer
- ND
- Niederdruck
- HD
- Hochdruck
