DE102017220108A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, Zweistoff-Injektoreinrichtung und Brennkraftmaschine, eingerichtet zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit folgenden Schritten:
- Zeitgleiches Einbringen von wenigstens zwei Brenngasstrahlen in einen Brennraum (3) der Brennkraftmaschine (1), wobei
- ein erster Brenngasstrahl der wenigstens zwei Brenngasstrahlen zu einem Entflammungszeitpunkt entflammt wird, wobei
- in einer ersten Betriebsart der Brennkraftmaschine (3) ein zweiter, von dem ersten Brenngasstrahl verschiedener Brenngasstrahl der wenigstens zwei Brenngasstrahlen zeitlich nach dem Entflammungszeitpunkt entflammt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Zweistoff-Injektoreinrichtung und eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet sind zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
  • Bei Hochdruck-Zweistoff-Brennverfahren, die auf einer direkten Einbringung eines ersten, typischerweise gasförmigen Brennstoffs und eines zweiten Brennstoffs, der typischerweise ein Zündöl ist, beruhen, wird üblicherweise eine reine Diffusionsverbrennung verwirklicht. Dabei wird insbesondere eine möglichst zeitgleiche Entflammung aller in den Brennraum eingebrachten Brenngasstrahlen angestrebt. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem jedem Brenngasstrahl eindeutig ein Zündölstahl zugeordnet wird, wobei die Brenngasstrahlen vorzugsweise bereits bei ihrem Einbringen in den Brennraum in Kontakt mit den entflammten Zündölstrahlen kommen und entflammt werden. Falls eine solche eindeutige Zuordnung von Brenngasstahlen einerseits und Zündölstrahlen andererseits nicht möglich ist, werden üblicherweise mehr Zündölstrahlen als Brenngasstrahlen eingesetzt, um in jedem Fall zu gewährleisten, dass alle Brenngasstrahlen zeitgleich entflammt werden. Insbesondere in bestimmten Betriebspunkten einer Brennkraftmaschine ist eine reine Diffusionsverbrennung allerdings nachteilig, da bei einer zumindest teilweise vorgemischten Verbrennung gegebenenfalls höhere Spitzendrücke und/oder höhere indizierte Mitteldrücke sowie eine Wirkungsgradsteigerung erzielbar wären.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, eine Zweistoff-Injektoreinrichtung und eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
  • Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, welches folgende Schritte aufweist: Wenigstens zwei Brenngasstrahlen werden zeitgleich in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht. Ein erster Brenngasstrahl der wenigstens zwei Brenngasstrahlen wird zu einem Entflammungszeitpunkt entflammt. Dabei ist vorgesehen, dass in einer ersten Betriebsart der Brennkraftmaschine ein zweiter, von dem ersten Brenngasstrahl verschiedener Brenngasstrahl der wenigstens zwei Brenngasstrahlen zeitlich nach dem Entflammungszeitpunkt entflammt wird. Durch diese Vorgehensweise wird in der ersten Betriebsart eine Kombination aus einer Diffusionsverbrennung und einer vorgemischten Verbrennung bereitgestellt, wobei der erste Brenngasstrahl insbesondere mittels Diffusionsverbrennung verbrennt, wobei dem zweiten Brenngasstrahl aufgrund seiner späteren Entflammung mehr Zeit zur Verfügung steht, sich mit in dem Brennraum vorhandener Verbrennungsluft zu vermischen, sodass er zumindest teilweise in Form einer vorgemischten Verbrennung verbrennen kann. Die Verbrennung wird insgesamt auf zwei Entflammungsereignisse aufgeteilt, wodurch in dem Brennraum - zeitlich gesehen - ein verbreitertes Druckmaximum oder zwei separate Druckmaxima vorliegen. Somit ist es möglich, den indizierten Mitteldruck bei gegebenem Spitzendruck zu erhöhen, wobei insbesondere ein Gleichdruckprozess besser approximiert wird als bei konventioneller Verbrennungsführung, insbesondere indem der Druck in dem Brennraum für eine längere Zeit in der Nähe des Spitzendruckwerts gehalten wird. Wird ein Abstand zu einem maximal möglichen - insbesondere durch Belastungsgrenzen des Brennraums definierten - Spitzendruck eingehalten, ist auch die Annäherung an einen Gleichraumprozess möglich. In Hinblick auf Emissionen der Brennkraftmaschine können die Anteile der Diffusionsverbrennung einerseits und der vorgemischten Verbrennung andererseits optimiert werden. Durch die Vormischung wird der Brennstoff des zweiten Brenngasstrahls lokal abgemagert, sodass die Flammentemperatur sinkt und geringere Emissionen anfallen.
  • Die Durchführung des Verfahrens ist nicht auf Zweistoff-Brennkraftmaschinen beschränkt. Wichtig ist lediglich, dass eine Mehrzahl von Brenngasstrahlen direkt in den Brennraum eingebracht werden, wobei zumindest einer der Brenngasstrahlen später entflammt wird als zumindest ein anderer Brenngasstrahl der Brenngasstrahlen. Besonders bevorzugt wird das Verfahren allerdings in einem Zweistoffbetrieb einer Brennkraftmaschine angewendet.
  • Dass die Brenngasstrahlen zeitgleich in den Brennraum eingebracht werden, bedeutet insbesondere, dass diese bis auf einen gegebenenfalls unvermeidbaren, technisch bedingten zeitlichen Versatz zu einem gleichen Zeitpunkt in den Brennraum eingebracht werden. Bei den verschiedenen Brenngasstrahlen handelt es sich also nicht um Brenngasstrahlen, die verschiedenen Eindüsereignissen, beispielsweise einer Voreindüsung, einer Haupteindüsung oder einer Nacheindüsung, zugeordnet sind. Vielmehr sind die Brenngasstrahlen demselben Eindüsereignis zugeordnet.
  • Unter einem Einbringen der Brenngasstrahlen direkt in den Brennraum wird insbesondere eine Direkteindüsung, vorzugsweise mittels eines Brenngasinjektors verstanden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Brenngasstrahl durch den entflammten ersten Brenngasstrahl entflammt wird. Die Flammenfront des entflammten ersten Brenngasstrahls breitet sich in dem Brennraum aus und erfasst nach einer bestimmten Zeit auch den zweiten Brenngasstrahl, wobei dieser dann durch den entflammten ersten Brenngasstrahl und insbesondere durch die Verbrennungsprodukte des ersten Brenngasstrahls entflammt wird. In diesem Zustand ist der zweite Brenngasstrahl bereits lokal abgemagert und mit Verbrennungsluft durchmischt, sodass eine sehr schnelle Umsetzung des vorgemischten zweiten Brenngasstrahls mit schnellem Druckanstieg in dem Brennraum erfolgt.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Brenngasstrahl durch eine Piloteinspritzung eines Zündöls in den Brennraum entflammt wird. Dem ersten Brenngasstahl ist vorzugsweise ein bestimmter Zündölstrahl fest zur Entflammung zugeordnet. Der zweite Brenngasstrahl ist dabei räumlich so von dem bestimmten Zündölstrahl und dem ersten Brenngasstrahl beabstandet, dass er nicht von dem bestimmten Zündölstahl entflammt wird. Er wird vielmehr erst später durch den entflammten ersten Brenngasstrahl entflammt.
  • Vorzugsweise werden eine Mehrzahl von mehr als zwei Brenngasstrahlen in den Brennraum der Brennkraftmaschine zeitgleich eingebracht, wobei bevorzugt jedem Brenngasstrahl einer Unterzahl der Brenngasstrahlen, die kleiner ist als die Gesamtzahl der Brenngasstahlen, jeweils ein Zündölstahl zugeordnet ist. Diejenigen Brenngasstrahlen, denen kein Zündölstrahl zugeordnet ist, werden dann erst zu einem späteren Zeitpunkt durch die entflammten Brenngasstrahlen entflammt.
  • Besonders bevorzugt werden eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung - insbesondere konzentrisch - um eine Längsachse des Brennraums angeordnete Brenngasstrahlen in den Brennraum eingebracht, wobei jeder nichtentflammte Brenngasstrahl zwischen zwei entflammten Brenngastahlen angeordnet und insbesondere von zwei entflammten Brenngasstrahlen eingefasst ist. Er wird dann zu einem späteren Zeitpinkt beidseitig durch die ihm unmittelbar benachbarten entflammten Brenngasstrahlen entflammt.
  • Besonders bevorzugt werden neun Brenngasstrahlen in den Brennraum eingebacht, wobei sechs Zündölstrahlen in den Brennraum eingebracht werden, wobei jeder der sechs Zündölstahlen jeweils einem Brenngasstrahl so zugeordnet ist, dass sechs erste Brenngasstahlen durch die sechs Zündölstrahlen entflammt werden, wobei drei zweite Brenngasstrahlen nicht durch einen Zündölstrahl entflammt werden und jeweils zwischen zwei ersten Brenngasstrahlen angeordnet sind.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine parameterabhängig - alternativ zu der ersten Betriebsart - in einer zweiten Betriebsart betrieben wird, in welcher alle Brenngasstrahlen gleichzeitig zu dem Entflammungszeitpunkt entflammt werden. In dieser zweiten Betriebsart wird dann eine Diffusionsverbrennung verwirklicht. Die zweite Betriebsart wird insbesondere in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine eingestellt, wobei als der wenigstens eine Betriebsparameter bevorzugt ein momentaner Lastpunkt der Brennkraftmaschine verwendet wird. In Abhängigkeit von dem wenigstens einen Betriebsparameter wird die Brennkraftmaschine dann entweder in der ersten Betriebsart oder in der zweiten Betriebsart betrieben. Besonders bevorzugt wird die Brennkraftmaschine bei Volllast in der zweiten Betriebsart betrieben, da bei der Diffusionsverbrennung geringere Spitzendrücke auftreten und so die Brennkraftmaschine geschont wird. Bei Teillast und/oder im Leerlauf wird die Brennkraftmaschine bevorzugt in der ersten Betriebsart betrieben, wobei die höheren Vormischanteile der Verbrennung bei gegebener Brennstoffmasse und festgehaltenem Entflammungszeitpunkt zu höheren Spitzendrücken führen würden, was aber bei Teillast oder im Leerlauf nicht schädlich ist, weil hier die in den Brennraum eingebachte Brennstoffmasse im Vergleich zur Volllast reduziert ist, sodass wiederum die für sich genommen höheren Spitzendrücke ebenfalls reduziert sind. Daher kann die Brennkraftmaschine beschädigungsfrei bei Teillast und/oder im Leerlauf in der ersten Betriebsart betrieben werden. Somit kann hier ein Gleichdruckprozess besser approximiert werden, wodurch sich Wirkungsgradvorteile und verringerte Emissionen ergeben.
  • Durch die Wahl zwischen der ersten Betriebsart einerseits und der zweiten Betriebsart andererseits ergibt sich ein zusätzlicher Freiheitsgrad zur Brennverlaufsformung, der in verschiedener Weise vorteilhaft genutzt werden kann, insbesondere zur Leistungssteigerung bei konstantem Spitzendruck, zur Wirkungsgradsteigerung, zur variablen Aufteilung von Vormischverbrennung und Diffusionsverbrennung, insbesondere in Hinblick auf die Emissionen der Brennkraftmaschine, für ein Thermomanagement der Brennkraftmaschine, und auch zur Annäherung eines Gleichraumprozesses bei Einhaltung von Spitzendruckreserven.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart durch Veränderung eines Ladungsdralls in dem Brennraum durchgeführt wird. Insoweit zeigt sich, dass jedenfalls dann, wenn kein Ladungsdrall in dem Brennraum vorliegt, die Brenngasstahlen einerseits und die Zündölstahlen andererseits - im Querschnitt gesehen - radial zur Längsachse des Brennraums ausgerichtet sind, wobei eindeutig jedem Zündölstahl ein Brenngasstrahl zugeordnet werden kann. Ab einer bestimmten Stärke eines Ladungsdralls in dem Brennraum werden allerdings zumindest die Brenngasstrahlen, gegebenenfalls aber auch die Zündölstrahlen verweht, sodass Brenngasstrahlen auch von Zündölstrahlen entflammt werden können, die ihnen nicht unmittelbar zugeordnet sind. Insbesondere ist es möglich, dass bei einem entsprechenden Ladungsdrall in dem Brennraum alle Brenngasstrahlen von den Zündölstrahlen entflammt werden. Daher kann von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart umgeschaltet werden, indem der Ladungsdrall in dem Brennraum erhöht wird. Umgekehrt kann von der zweiten Betriebsart zurück in die erste Betriebsart geschaltet werden, indem der Ladungsdrall in dem Brennraum verringert wird.
  • Unter einem Ladungsdrall in dem Brennraum wird dabei insbesondere eine rotierende Bewegung von Verbrennungsluft in dem Brennraum um die Längsachse des Brennraums verstanden.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch möglich, dass ein Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart durch zeitliches Verschieben des Einbringens der Brenngasstrahlen und damit zugleich auch des Entflammungszeitpunkts bewirkt wird. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass die Ladungsbewegung in dem Brennraum einer zeitlichen Entwicklung unterliegt. Es ist daher möglich, dass die Brenngasstrahlen zu einem ersten Zeitpunkt bei geringerem Ladungsdrall in den Brennraum eingebracht werden können, wobei sie zu einem zweiten, von dem ersten Zeitpunkt verschiedenen Zeitpunkt bei einem höheren Ladungsdrall in den Brennraum eingebracht werden können. Indem so das Einbringen der Brenngasstrahlen zeitlich an die Entwicklung des Ladungsdralls angepasst wird, kann entweder die erste Betriebsart oder die zweite Betriebsart durchgeführt werden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ladungsdrall in dem Brennraum verändert wird, indem die Ansteuerung eines dem Brennraum zugeordneten variablen Ventiltriebs verändert wird. Insbesondere durch geeignete Ansteuerung eines variablen Ventiltriebs, besonders bevorzugt eines vollvariablen Ventiltriebs, kann die Ladungsbewegung in dem Brennraum und insbesondere der Ladungsdrall beeinflusst werden. Es ist daher möglich, zwischen der ersten Betriebsart durch Ansteuerung des variablen Ventiltriebs umzuschalten.
  • Alternativ oder zusätzlich kann von der ersten Betriebsart in die zweite Betriebsart durch Änderung von Bestromungszeiten eines Injektors zur Einbringung der Brenngasstrahlen und bevorzugt zur Einbringung der Zündölstrahlen umgeschaltet werden, wodurch das Einbringen der Brenngasstrahlen und auch der Entflammungszeitpunkt zeitlich verschoben werden können. Bevorzugt werden die Bestromungszeiten für die Eindüsung der Brenngasstrahlen und die Bestromungszeiten zur Einbringung der Zündölstrahlen in gleicher Weise gemeinsam verändert. Insbesondere werden Bestromungszeiten für die Ansteuerung einer Zweistoff-Injektoreinrichtung entsprechend verändert, die eingerichtet ist, um einerseits die Brenngasstrahlen und andererseits die Zündölstrahlen in den Brennraum einzubringen.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Zweistoff-Injektoreinrichtung geschaffen wird, die eingerichtet ist zum Einbringen eines Brenngases und eines Zündöls direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei die Zweistoff-Injektoreinrichtung eine erste Anzahl an ersten Bohrungen zum Ausbringen einer Mehrzahl von Brenngasstrahlen, und eine zweite Anzahl an zweiten Bohrungen zum Ausbringen einer Mehrzahl von Zündölstrahlen aufweist, wobei die erste Anzahl der ersten Bohrungen größer ist als die zweite Anzahl der zweiten Bohrungen. Auf diese Weise ist es möglich, mit den Zündölstrahlen nur eine Unteranzahl der Brenngasstrahlen zu entflammen, während andere Brenngasstrahlen durch die Zündölstrahlen nicht entflammt werden. Bevorzugt ist dabei jeder zweiten Bohrung eine erste Bohrung zugeordnet, wobei erste Bohrungen existieren, denen keine zweite Bohrung zugeordnet ist. In Zusammenhang mit der Zweistoff-Injektoreinrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder zweiten Bohrung eine erste Bohrung zum Entflammen des jeweiligen Brenngasstrahls der ersten Bohrung durch das aus der zweiten Bohrung ausgebrachte Zündöl fest zugeordnet ist. Insbesondere sind die zweiten Bohrungen einerseits und die ersten Bohrungen andererseits bevorzugt räumlich/geometrisch so angeordnet, dass die entsprechende feste Zuordnung der zweiten Bohrungen zu den jeweiligen ersten Bohrungen erhalten wird.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Bohrungen und die zweiten Bohrungen axial zueinander versetzt angeordnet sind. Sie sind also insbesondere - in Längsrichtung des Brennraums gesehen - auf verschiedenen Ebenen angeordnet. Besonders bevorzugt sind dabei die ersten Bohrungen über den zweiten Bohrungen angeordnet, d. h. auf einer Seite der zweiten Bohrungen, welche einem in dem Brennraum verlagerbar angeordneten Kolben abgewandt ist. Auf diese Weise können die Brenngasstrahlen durch die unter ihnen liegenden Zündölstrahlen entflammt werden.
  • Dabei ist eine Axialrichtung insbesondere eine Längsrichtung der Zweistoff-Injektoreinrichtung, die bevorzugt bei bestimmungsgemäßer Anordnung mit der Längsachse des Brennraums fluchtet. Eine radiale Richtung steht senkrecht auf der Axialrichtung. Eine Umfangsrichtung umgreift die Axialrichtung konzentrisch.
  • Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass jede der zweiten Bohrungen mit einer ihr zugeordneten ersten Bohrung - in Umfangsrichtung gesehen - fluchtet. Die einander zugeordneten ersten und zweiten Bohrungen liegen also jeweils in einer gleichen Winkelposition axial übereinander. Auf diese Weise wird sehr effizient gewährleistet, dass nur die den zweiten Bohrungen jeweils zugeordneten Brenngasstrahlen durch das Zündöl entflammt werden. Alternativ können die einander zugeordneten ersten und zweiten Bohrungen auch in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sein, insbesondere auf Lücke. Unter Berücksichtigung eines Ladungsdralls in dem Brennraum und insbesondere eines Zündverzugs kann sich dann ebenfalls eine nur teilweise Entflammung der Brenngasstrahlen unmittelbar durch die Zündölstrahlen ergeben.
  • Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die eingerichtet ist zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine ergeben sich dabei insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren und/oder der Zweistoff-Injektoreinrichtung beschrieben wurden. Die Brennkraftmaschine weist besonders bevorzugt eine erfindungsgemäße Zweistoff-Injektoreinrichtung oder eine Zweistoff-Injektoreinrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf.
  • Zum Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart weist die Brennkraftmaschine vorzugsweise einen dem wenigstens einen Brennraum zugeordneten variablen Ventiltrieb auf, und/oder Bestromungszeiten für die Zweistoff-Injektoreinrichtung sind bei der Brennkraftmaschine variabel.
  • 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.
  • Die Beschreibung des Verfahrens einerseits sowie der Zweistoff-Injektoreinrichtung und der Brennkraftmaschine andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Zweistoff-Injektoreinrichtung und/oder der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Merkmale der Zweistoff-Injektoreinrichtung und/oder der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Zweistoff-Inj ektoreinrichtung und/oder der Brennkraftmaschine. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Zweistoff-Injektoreinrichtung oder der Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Zweistoff-Injektoreinrichtung und/oder die Brennkraftmaschinen zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Ausführungsbeispiel einer Zweistoff-Inj ektoreinrichtung;
    • 2 eine Detaildarstellung des Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine gemäß 1 zur Erläuterung von deren Funktionsweise, und
    • 3 eine schematische, diagrammatische Darstellung der Wirkungsweise eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine.
  • Fig.l zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Brennraum 3. Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine 1 eine Mehrzahl von Brennräumen 3 auf, wobei die Brennräume 3 bevorzugt identisch ausgebildet sind. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 insbesondere vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn oder zwanzig Brennräume 3 aufweist.
  • Die Brennkraftmaschine 1 ist bevorzugt als Hubkolbenmotor ausgebildet, wobei in dem Brennraum 3 ein Kolben 5 hubbeweglich verlagerbar ist.
  • Die Brennkraftmaschine 1 weist eine Zweistoff-Injektoreinrichtung 7 auf, die eingerichtet ist zum Einbringen eines Brenngases einerseits und eines Zündöls andererseits direkt in den Brennraum 3, wobei die ZweistofF-Injektoreinrichtung 7 eine erste Anzahl an ersten Bohrungen 9 zum Ausbringen einer Mehrzahl von Brenngasstrahlen - aus jeder der ersten Bohrungen 9 jeweils einen Brenngasstrahl - aufweist. Die Zweistoff-Injektoreinrichtung 7 weist außerdem eine zweite Anzahl an zweiten Bohrungen 11 zum Ausbringen einer Mehrzahl von Zündölstrahlen - insbesondere aus jeder der zweiten Bohrungen 11 jeweils einen Zündölstrahl - auf. Dabei ist die erste Anzahl der ersten Bohrungen 9 größer als die zweite Anzahl der zweiten Bohrungen 11.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine 1 ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Brenngasstrahlen aus den ersten Bohrungen 9 zeitgleich direkt in den Brennraum 3 eingebracht werden, wobei ein erster Brenngasstrahl der wenigstens zwei Brenngasstrahlen zu einem Entflammungszeitpunkt entflammt wird. Dabei ist weiter vorgesehen, dass in einer ersten Betriebsart der Brennkraftmaschine 1 ein zweiter, von dem ersten Brenngasstrahl verschiedener Brenngasstrahl der wenigstens zwei Brenngasstrahlen zeitlich nach dem Entflammungszeitpunkt entflammt wird. Auf diese Weise kann in der ersten Betriebsart eine Kombination aus Diffusionsverbrennung einerseits und vorgemischter Verbrennung andererseits verwirklicht werden, wodurch insbesondere Leistungssteigerungen bei konstantem Spitzendruck, Wirkungsgradsteigerungen, sowie eine verbesserte Approximation an einen Gleichdruckprozesses möglich sind.
  • Vorzugsweise wird der zweite Brenngasstrahl durch den entflammten ersten Brenngasstrahl entflammt, wobei er insbesondere durch Verbrennungsprodukte des ersten Brenngasstrahls entflammt wird. Der erste Brenngasstrahl wird demgegenüber bevorzugt durch die Piloteinspritzung des Zündöls, mithin durch wenigstens einen Zündölstahl aus einer der zweiten Bohrungen 11 entflammt.
  • Vorzugsweise weist die Zweistoff-Injektoreinrichtung 7 neun erste Bohrungen 9 und sechs zweite Bohrungen 11 auf, sodass im Rahmen des Verfahrens auch insgesamt neun Brenngasstrahlen und sechs Zündölstrahlen direkt in dem Brennraum 3 eingebracht werden.
  • Jeder zweiten Bohrung 11 ist bevorzugt eine erste Bohrung 9 zum Entflammen des jeweiligen Brenngasstrahls durch den entsprechend zugeordneten Zündölstrahl fest zugeordnet, wobei die Bohrungen 9, 11 insbesondere so relativ zueinander angeordnet sind, dass sich eine entsprechende feste Zuordnung von ersten Bohrungen 9 zu zweiten Bohrungen 11 ergibt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass in der ersten Betriebsart nur diejenigen Brenngasstrahlen entflammt werden, deren ersten Bohrungen 9 eine zweite Bohrung 11 zugeordnet ist.
  • Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die ersten Bohrungen 9 und die zweiten Bohrungen 11 axial zueinander versetzt angeordnet sind, wobei vorzugsweise jede zweite Bohrung 11 mit einer ihr zugeordneten ersten Bohrung 9 - in Umfangsrichtung gesehen - fluchtet. Die Umfangsrichtung erstreckt sich dabei konzentrisch um eine Längsachse des Brennraums 3, in 1 also um eine vertikale Mittelachse des Brennraums 3. Alternativ können die einander zugeordneten ersten und zweiten Bohrungen 9, 11 auch in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sein, insbesondere auf Lücke. Unter Berücksichtigung eines Ladungsdralls in dem Brennraum 3 und insbesondere eines Zündverzugs kann sich dann ebenfalls eine nur teilweise Entflammung der Brenngasstrahlen unmittelbar durch die Zündölstrahlen ergeben.
  • Die ersten Bohrungen 9 sowie die zweiten Bohrungen 11 sind in Umfangsrichtung verteilt - vorzugsweise symmetrisch - insbesondere mit jeweils innerhalb der gleichen Bohrungsart, also innerhalb der ersten Bohrungen 9 und der zweiten Bohrungen 11, gleichen Winkelabständen zueinander, angeordnet. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass jede erste Bohrung 9, der ein nicht entflammter Brenngasstrahl in der ersten Betriebsart zugeordnet ist, zwischen zwei ersten Bohrungen 9 eingefasst ist, denen in der ersten Betriebsart zum Entflammungszeitpunkt entflammte Brenngasstrahlen zugeordnet sind.
  • Die Brennkraftmaschine 1 wird bevorzugt parameterabhängig in einer zweiten Betriebsart betrieben, in welcher die Brenngasstrahlen alle gleichzeitig zu dem Entflammungszeitpunkt entflammt werden. Zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart wird bevorzugt in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter gewechselt, wobei als der wenigstens eine Parameter bevorzugt ein momentaner Lastpunkt der Brennkraftmaschine verwendet wird. Dabei wird die Brennkraftmaschine bevorzugt in Volllast in der zweiten Betriebsart betrieben, wobei sie bei Teillast oder Leerlauf in der ersten Betriebsart, also mit höherem Anteil an vorgemischter Verbrennung, betrieben wird.
  • Ein Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart erfolgt vorzugsweise durch Veränderung eines Ladungsdralls in dem Brennraum 3, und/oder durch zeitliches Verschieben des Einbringens der Brenngrasstrahlen und des Entflammungszeitpunkts. Zur Drallveränderung ist vorzugsweise ein variabler Ventiltrieb 13 vorgesehen, wobei dem Brennraum 3 hier ein Einlassventil 15 und ein Auslassventil 17 zugeordnet sind, wobei sowohl dem Einlassventil 15 als auch dem Auslassventil 17 ein variabler Ventiltrieb 13 zugeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass nur einem Gaswechselventil, ausgewählt aus dem Einlassventil 15 und dem Auslassventil 17, ein variabler Ventiltrieb 13 zugeordnet ist. Insbesondere kann es für die Drallveränderung genügen, wenn dem Einlassventil 15 ein variabler Ventiltrieb 13 zugeordnet ist.
  • Insbesondere zur Steuerung des Wechsels zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart, jedoch bevorzugt auch zur Steuerung der Brennkraftmaschine insgesamt, weist diese ein Steuergerät 19 auf, das hier schematisch mit der Zweistoff-Injektoreinrichtung 7 und dem variablen Ventiltrieb 13 wirkverbunden ist.
  • 2 zeigt eine schematische Detaildarstellung der Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Dabei zeigt 2 insbesondere ein Detail der Zweistoff-Injektoreinrichtung 7, nämlich in Form einer schematischen Teil-Querschnittdarstellung entlang eines Winkelbereichs von 120°, wobei die Zweistoff-Injektoreinrichtung 7 bevorzugt drehsymmetrisch ausgebildet ist, sodass der gesamte Querschnitt durch Kopieren der dargestellten Struktur in die verbleibenden beiden 120°-Segmente erhalten werden kann. Somit wird insbesondere deutlich, dass die Zweistoff-Injektoreinrichtung 7 hier insgesamt neun erste Bohrungen 9, von denen hier drei erste Bohrungen 9 dargestellt sind, und sechs zweite Bohrungen 11, von denen hier zwei zweite Bohrungen 11 dargestellt sind, aufweist. Zugleich wird deutlich, dass den hier äußeren ersten Bohrungen 9 jeweils eine zweite Bohrung 11 zugeordnet ist, sodass die durch die äußeren ersten Bohrungen 9 ausgestoßenen Brenngasstrahlen durch die aus den zweiten Bohrungen 11 austretenden Zündölstrahlen entflammt werden. Der mittleren ersten Bohrung 9 ist dagegen keine zweite Bohrung 11 zugeordnet, sodass ein aus der mittleren Bohrung 9 austretender Brenngasstrahl - abhängig insbesondere von dem Zeitpunkt des Einbringens und einem momentanen Ladungsdrall in dem Brennraum 3 zum Zeitpunkt des Einbringens - in der ersten Betriebsart nicht zu dem Entflammungszeitpunkt von den Zündölstrahlen entflammt wird. Vielmehr wird dieser erst zu einem späteren Zeitpunkt durch die entflammten, äußeren Brenngasstrahlen entflammt, nachdem bereits eine gewisse Vormischung mit der in dem Brennraum 3 vorhandenen Verbrennungsluft stattgefunden hat.
  • In der zweiten Betriebsart der Brennkraftmaschine 1 ist dagegen ein Ladungsdrall in dem Brennraum 3 hoch genug, sodass die Brenngasstrahlen einerseits und die Zündölstrahlen andererseits hinreichend verweht werden, sodass alle Brenngasstrahlen durch die Zündölstrahlen zu dem Entflammungszeitpunkt entflammt werden.
  • 3 zeigt eine schematische, diagrammatische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Brennkraftmaschine. Dabei ist hier ein Druck-Volumen-Diagramm aufgezeichnet, wobei auf der Hochachse ein Druck p in dem Brennraum aufgetragen ist, wobei auf der horizontalen Achse ein momentanes Volumen V des Brennraums 3 dargestellt ist. Als durchgezogene Kurve K1 ist der Druckverlauf in der zweiten Betriebsart der Brennkraftmaschine dargestellt, wenn alle Brenngasstrahlen in dem Brennraum 3 zeitgleich zu dem Entflammungszeitpunkt entflammt werden. Als gestrichelte Kurve K2 ist der Druckverlauf über dem momentanen Brennraumvolumen dargestellt für die erste Betriebsart, wobei für beide Kurvenverläufe die gleiche Brennstoffmasse in den Brennraum 3 eingebracht wurde. Dabei wurde der Einbringzeitpunkt zumindest des Brenngases, vorzugsweise aber des Brenngases und des Zündöls, für die erste Betriebsart relativ zu der zweiten Betriebsart um 2 °KW nach früh verschoben, um mit der gleichen Brennstoffmasse einen gleichen Spitzendruck pmax zu erzielen. Der gleiche Spitzendruck pmax wird dabei trotz der Frühverschiebung deshalb erreicht, weil nur eine Unterzahl der Brenngasstrahlen in der ersten Betriebsart zu dem Entflammungszeitpunkt entflammt wird. Ansonsten hätte eine Frühverschiebung einen Anstieg des Spitzendrucks zur Folge.
  • Anhand von 3 ist erkennbar, dass in der zweiten Betriebsart nur ein Maximum durch die durchgezogene Druck-Volumen-Kurve erreicht wird, nämlich der Spitzendruck pmax , wobei die Kurve danach vergleichsweise steil abfällt.
  • In der ersten Betriebsart erfolgt dagegen zeitlich nach dem Entflammungszeitpunkt die vorgemischte Verbrennung der nicht zum Entflammungszeitpunkt entflammten Brenngasstrahlen, sodass der Druck nach einer ersten Abnahme erneut ansteigt und sich wiederrum dem Spitzendruck pmax annähert. Erst nach dieser vorgemischten Verbrennung fällt dann die Druck-Volumen-Kurve steil ab. Somit kann ein höherer Druck nahe dem Spitzendruck pmax über einen längeren Zeitraum, d. h. insbesondere über einen längeren Kurbelwellenwinkelbereich, aufrechterhalten werden, sodass sich der Verbrennungsverlauf in dem Brennraum 3 in der ersten Betriebsart einem Gleichdruckprozess annähert.
  • Anhand von 3 ist auch erkennbar, dass die durch die gestrichelte Kurve K2 eingeschlossene Fläche größer ist, als die durch die durchgezogene Kurve K1 eingeschlossene Fläche, was bedeutet, dass in der ersten Betriebsart mehr Arbeit geleistet wird als in der zweiten Betriebsart. Da jedoch - wie zuvor erwähnt - in beiden Fällen die gleiche Brennstoffmasse in den Brennraum 3 eingebracht ist, ist zugleich in der ersten Betriebsart der Wirkungsgrad höher als in der zweiten Betriebsart.
  • Somit ist es mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren und der Brennkraftmaschine 1 insbesondere möglich, eine Wirkungsgradsteigerung zu erreichen. Zudem kann insbesondere mit dem Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart eine variable Aufteilung von Vormischverbrennung einerseits und Diffusionsverbrennung andererseits - insbesondere in Hinblick auf verschiedene Emissionsszenarien - erfolgen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1) mit folgenden Schritten: - Zeitgleiches Einbringen von wenigstens zwei Brenngasstrahlen in einen Brennraum (3) der Brennkraftmaschine (1), wobei - ein erster Brenngasstrahl der wenigstens zwei Brenngasstrahlen zu einem Entflammungszeitpunkt entflammt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - in einer ersten Betriebsart der Brennkraftmaschine (3) ein zweiter, von dem ersten Brenngasstrahl verschiedener Brenngasstrahl der wenigstens zwei Brenngasstrahlen zeitlich nach dem Entflammungszeitpunkt entflammt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Brenngasstrahl durch den entflammten ersten Brenngasstrahl entflammt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brenngasstrahl durch eine Piloteinspritzung eines Zündöls in den Brennraum (3) entflammt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) parameterabhänging in einer zweiten Betriebsart betrieben wird, in welcher alle Brenngasstrahlen zeitgleich zu dem Entflammungszeitpunkt entflammt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart durch a) Verändern eines Ladungsdralls in dem Brennraum (3), und/oder b) Zeitliches Verschieben des Einbringens der Brenngasstrahlen und zeitliches Verschieben des Entflammungszeitpunkts bewirkt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung des Ladungsdralls durch Änderung einer Ansteuerung eines dem Brennraum (3) zugeordneten variablen Ventiltriebs bewirkt wird.
  7. Zweistoff-Injektoreinrichtung (7) zum Einbringen eines Brenngases und eines Zündöls direkt in einen Brennraum (3) einer Brennkraftmaschine, mit einer ersten Anzahl an ersten Bohrungen (9) zum Ausbringen einer Mehrzahl von Brenngasstrahlen in den Brennraum (3), und mit einer zweiten Anzahl an zweiten Bohrungen (11) zum Ausbringen einer Mehrzahl von Zündölstrahlen in den Brennraum (3), wobei die erste Anzahl größer ist als die zweite Anzahl.
  8. Zweistoff-Injektoreinrichtung (7) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder zweiten Bohrung (11) eine erste Bohrung (9) zum Entflammen des der jeweiligen ersten Bohrung (9) zugeordneten Brenngasstrahls durch das durch die jeweilige zweite Bohrung (11) ausgebrachte Zündöl fest zugeordnet ist.
  9. Zweistoff-Injektoreinrichtung (7) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bohrungen (9) und die zweiten Bohrungen (11) axial zueinander versetzt angeordnet sind, wobei vorzugsweise jede zweite Bohrung (11) mit einer ihr zugeordneten ersten Bohrung (9) fluchtet oder in Umfangsrichtung versetzt zu dieser angeordnet ist.
  10. Brennkraftmaschine (1), eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, und/oder mit wenigstens einer Zweistoff-Injektoreinrichtung (7) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
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