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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine, die eingerichtet ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Bei einer Brennkraftmaschine der hier angesprochenen Art wird einem Hauptbrennraum ein Brennstoff, insbesondere ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch, über einen Hauptbrennstoffpfad zugeführt. Die Brennkraftmaschine weist außerdem einen Nebenbrennstoffpfad auf, der über ein druckgesteuertes Ventil, das auch als passives Ventil bezeichnet wird, beispielsweise ein Rückschlagventil, in eine dem Hauptbrennraum zugeordnete Vorkammer mündet. Die Vorkammer ist insoweit als gespülte Vorkammer ausgebildet, und es ist möglich, der Vorkammer separat von der Brennstoff-Zufuhr zu dem Hauptbrennraum Brennstoff über den Nebenbrennstoffpfad zuzuführen. Insbesondere ist der Nebenbrennstoffpfad separat zu und strömungstechnisch getrennt von dem Hauptbrennstoffpfad vorgesehen.
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Bei einer derart gespülten Vorkammer ergibt sich das Problem, die Brennkraftmaschine auch bei Niedriglast oder im Leerlauf stabil zu betreiben. Im Brennraum herrscht in diesen Betriebsbereichen nämlich während eines Ansaugtakts ein Druckniveau, welches sehr niedrig ist und insbesondere unter Atmosphärendruck oder Umgebungsdruck der Brennkraftmaschine fallen kann. Typischerweise kann aber der Brennstoffdruck des Brennstoffs, der für den Nebenbrennstoffpfad bereitgestellt wird, nicht in gleichem Maß abgesenkt werden, sodass sich im Ansaugtakt unter Niedriglast- oder Leerlaufbedingungen eine sehr große Druckdifferenz über dem passiven Ventil ergibt. Dies führt dazu, dass das passive Ventil sehr weit oder sehr lange öffnet, sodass eine mit Blick auf den momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zu große Menge an Brennstoff in die Vorkammer gelangt. Die Vorkammer wird dabei mit reinem Brennstoff überspült, was im Extremfall zu Fehlzündungen führen kann. Im Auslasstakt herrschen unter diesen Bedingungen Drücke im Hauptbrennraum, die ungefähr atmosphärischen Druckverhältnissen oder dem Umgebungsdruck der Brennkraftmaschine entsprechen. Es ist möglich, dass - abhängig von dem Brennstoffdruck, mit dem der Brennstoff für den Nebenbrennstoffpfad bereitgestellt wird - auch unter diesen Druckverhältnissen das passive Ventil geöffnet bleibt, sodass die Vorkammer weiterhin mit Brennstoff beschickt wird. Dieser wird dann über ein dem Brennraum zugeordnetes Auslassventil ausgetragen, sodass letztlich unverbrannter Brennstoff in die Umgebung gelangt. Besonders kritisch ist dies, wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist und mit Methan betrieben wird, da ein Methanschlupf in hohem Maße klimaschädlich ist, insbesondere in weit höherem Maße als eine entsprechende, in die Umgebung ausgetragene Kohlendioxidmenge.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht oder in verringertem Maß auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die technische Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, bei welchem einem Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine Brennstoff über einen Hauptbrennstoffpfad zugeführt wird, wobei Brennstoff für einen Nebenbrennstoffpfad bereitgestellt wird, wobei der Nebenbrennstoffpfad über ein druckgesteuertes Ventil in eine dem Hauptbrennraum zugeordnete Vorkammer mündet. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem ersten, unteren Lastbereich der Brennkraftmaschine der Nebenbrennstoffpfad in einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine gesperrt wird, sodass kein Brennstoff über das druckgesteuerte Ventil in die Vorkammer gelangen kann, wobei der Nebenbrennstoffpfad in einem zweiten, oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine freigegeben wird, sodass der Vorkammer Brennstoff über das druckgesteuerte Ventil zugeführt werden kann. Dadurch, dass der Nebenbrennstoffpfad in dem dem ersten, unteren Lastbereich zugeordneten ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine gesperrt wird, wird ein Überspülen der Vorkammer bei den in dem unteren Lastbereich vorliegenden Druckverhältnissen wirksam vermieden. Die Vorkammer wird demnach in dem ersten, unteren Lastbereich in einem passiven Betrieb betrieben, wobei ihr lediglich über den Hauptbrennraum Brennstoff in Form eines Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs zugeführt wird. Die Brennkraftmaschine wird also in dem ersten, unteren Lastbereich als ungespülter Vorkammermotor betrieben. Dadurch werden die zuvor beschriebenen Probleme jedenfalls gelindert, vorzugsweise vollständig vermieden. In dem zweiten, oberen Lastbereich liegen Druckverhältnisse an dem druckgesteuerten Ventil vor, die ein für den Betrieb der Brennkraftmaschine geeignetes Öffnungsverhalten des druckgesteuerten Ventils erlauben, sodass die Brennkraftmaschine in dem zweiten, oberen Lastbereich in bekannter Art und Weise als Brennkraftmaschine mit gespülter Vorkammer betrieben werden kann, wobei die Vorkammer insbesondere in einem Spülbetrieb betrieben wird.
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Unter einer Vorkammer wird hier ein von dem Hauptbrennraum durch eine Vorkammerwandung abgeteilter Teil-Brennraum verstanden, wobei in der Vorkammerwandung mindestens eine Überströmbohrung, insbesondere eine Mehrzahl von Überströmbohrungen, ausgebildet ist, wobei ein Vorkammervolumen der Vorkammer über die wenigstens eine Überströmbohrung strömungstechnisch mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. Typischerweise ist das Vorkammervolumen sehr viel kleiner als ein Volumen des Hauptbrennraums. Vorzugsweise ist in dem Vorkammervolumen eine Zündeinrichtung angeordnet, oder es ist eine Zündeinrichtung für das Vorkammervolumen vorgesehen, um ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch in dem Vorkammervolumen entflammen zu können. Insbesondere im Spülbetrieb wird in dem Vorkammervolumen ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch bereitgestellt, welches fetter ist als ein in dem Hauptbrennraum bereitgestelltes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch. Insbesondere kann in dem Hauptbrennraum ein überstöchiometrisches, sogar weit überstöchiometrisches, Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch bereitgestellt werden, wobei in dem Vorkammervolumen bevorzugt ein stöchiometrisches oder sogar unterstöchiometrisches Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch bereitgestellt wird, welches leicht entflammt werden kann. Ist das Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch in dem Vorkammervolumen entflammt, schießen Zündstrahlen über die Überströmbohrungen in den Hauptbrennraum und entflammen dort sicher und ohne Gefahr von Aussetzern das dort vorliegende Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch, selbst wenn dieses sehr mager ist. Eine solche Vorkammer wird insbesondere zur Zündverstärkung eingesetzt. Die Vorkammer kann Teil einer separaten Vorkammerzündkerze sein, es ist aber auch möglich, dass die Vorkammer getrennt von der Zündeinrichtung bereitgestellt ist, beispielsweise als Volumen in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine.
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Unter einem druckgesteuerten Ventil wird insbesondere ein Ventil verstanden, welches nicht aktiv aktuierbar ist. Das druckgesteuerte Ventil wird vielmehr über einen Differenzdruck aktuiert, der über ihm abfällt, wobei ab einem durch die Bauweise des druckgesteuerten Ventils bestimmten Grenz-Differenzdruck das druckgesteuerte Ventil in seine Offenstellung verlagert wird, wobei es unterhalb des bestimmten Grenz-Differenzdrucks in seiner Schließstellung angeordnet ist und vorzugsweise umso fester in seine Schließstellung gedrängt wird, je weiter der Grenz-Differenzdruck unterhalb des bestimmten Grenz-Differenzdrucks liegt. Besonders bevorzugt ist das druckgesteuerte Ventil ein Rückschlagventil. Dies stellt eine ebenso einfache wie kostengünstige Ausgestaltung des druckgesteuerten Ventils dar.
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Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen auf, wobei jeder Brennraum einen Hauptbrennraum und eine Vorkammer aufweist. Jeder Vorkammer ist bevorzugt ein druckgesteuertes Ventil zugeordnet, wobei das jeweilige druckgesteuerte Ventil insbesondere in einer Abzweigung des Nebenbrennstoffpfads zu der entsprechenden Vorkammer angeordnet ist.
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Der Hauptbrennstoffpfad ist in bevorzugter Ausgestaltung zumindest ein Abschnitt eines Ladepfads der Brennkraftmaschine, entlang dem Verbrennungsluft, vorzugsweise ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch, besonders bevorzugt verdichtete Verbrennungsluft oder ein verdichtetes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch, dem Hauptbrennraum zugeführt werden kann.
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Es ist möglich, dass der Brennstoff dem Hauptbrennraum mittels eines Gasmischers durch Zumischen in den Ladepfad, oder über den Hauptbrennstoffpfad im Wege einer Direkteindüsung, mittels Einzelpunkteindüsung, oder mittels Mehrpunkteindüsung, zugeführt wird.
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Dass der Brennstoff für den Nebenbrennstoffpfad bereitgestellt wird, schließt bevorzugt ein, dass der Brennstoff in dem Nebenbrennstoffpfad bereitgestellt wird. Vorzugsweise wird für den / in dem Nebenbrennstoffpfad reiner Brennstoff - ohne Verbrennungsluft - bereitgestellt. Insbesondere wird der Brennstoff für den/in dem Nebenbrennstoffpfad unter einem bestimmten Brennstoffdruck bereitgestellt. Dabei ist es durchaus möglich, dass dieser bestimmte Brennstoffdruck abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine variiert wird. Dabei hat es sich allerdings als schwierig erwiesen, Druckwerte in der Nähe des Atmosphären- oder Umgebungsdruck der Brennkraftmaschine als bestimmten Brennstoffdruck bereitzustellen, weshalb die zuvor beschriebenen Probleme auftreten, die mithilfe der hier vorgeschlagenen technischen Lehre gelindert oder vermieden werden.
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Der erste, untere Lastbereich der Brennkraftmaschine ist insbesondere ein Lastbereich, der geringer ist als der zweite, obere Lastbereich. Entsprechend ist der zweite, obere Lastbereich insbesondere ein höherer Lastbereich, als der erste, untere Lastbereich.
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Unter einer Last oder einem Lastpunkt der Brennkraftmaschine wird hier insbesondere ein momentanes Drehmoment und/oder eine momentane Drehzahl, insbesondere eine Kombination, insbesondere ein 2-Tupel oder Paar, aus dem momentanen Drehmoment und der momentanen Drehzahl verstanden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein in dem Nebenbrennstoffpfad zusätzlich zu dem druckgesteuerten Ventil angeordnetes Schaltventil angesteuert wird, um den Nebenbrennstoffpfad in dem ersten, unteren Lastbereich zu sperren, und um den Nebenbrennstoffpfad in dem zweiten, oberen Lastbereich freizugeben. Durch Ansteuerung des Schaltventils kann in besonders einfacher Weise zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine umgeschaltet werden.
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Unter einem Schaltventil wird hier insbesondere ein Ventil verstanden, das aktiv aktuiert werden kann. Vorzugsweise kann das Schaltventil durch ein elektrisches, oder elektronisches Signal geschaltet werden. Das Schaltventil ist dabei eingerichtet, um einen Strömungsquerschnitt durch das Schaltventil in einer ersten Funktionsstellung zu sperren und in einer zweiten Funktionsstellung freizugeben. Das Schaltventil wird dabei in seine erste Funktionsstellung geschaltet, wenn die Brennkraftmaschine in dem ersten, unteren Lastbereich arbeitet, sich also in dem ersten Betriebszustand befindet, wobei das Schaltventil in seine zweite Funktionsstellung geschaltet wird, wenn die Brennkraftmaschine in dem zweiten Betriebszustand ist, also in dem zweiten, oberen Lastbereich arbeitet.
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Das Schaltventil ist bevorzugt in dem Nebenbrennstoffpfad stromaufwärts des wenigstens einen druckgesteuerten Ventils angeordnet, insbesondere vorzugsweise stromaufwärts von Abzweigungen zu den einzelnen Vorkammern der Brennkraftmaschine in einem allen Vorkammern gemeinsamen Teil des Nebenbrennstoffpfads. Somit kann in vorteilhafter Weise global für alle Vorkammern ein einziges Schaltventil verwendet werden.
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Es ist aber auch möglich, dass das Schaltventil stromabwärts des druckgesteuerten Ventils angeordnet ist. In diesem Fall ist vorzugsweise jeder Vorkammer ein separates Schaltventil zugeordnet, wobei die Schaltventile bevorzugt zugleich in gleiche Funktionsstellungen geschaltet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Hauptbrennraum in dem ersten, unteren Lastbereich ein stöchiometrisches oder ein unterstöchiometrisches, also fettes, Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch bereitgestellt wird. Ein Lambdawert dieses Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs beträgt dann vorzugsweise höchstens 1, bevorzugt weniger als 1. Dies stellt sicher, dass das Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch in dem Hauptbrennraum in dem ersten, unteren Lastbereich sicher entflammt werden kann, obwohl die Vorkammer in dem passiven Betrieb nicht gespült wird.
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Alternativ oder zusätzlich wird in dem zweiten, oberen Lastbereich ein überstöchiometrisches, das heißt mageres, Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch in dem Hauptbrennraum bereitgestellt. Besonders bevorzugt ist der Lambda-Wert dieses Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs mindestens 1,5, vorzugsweise größer als 1,5, vorzugsweise 2 oder größer als 2. Auf diese Weise kann die Brennkraftmaschine in dem zweiten, oberen Lastbereich mit besonders hoher Effizienz, insbesondere mit besonders hohem Wirkungsgrad, und entsprechend spezifisch niedrigem Brennstoffverbrauch betrieben werden. Eine sichere Entflammung des Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs in dem Hauptbrennraum ist dabei durch den Spülbetrieb der Vorkammer gewährleistet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste, untere Lastbereich ein Leerlaufbetrieb und/oder ein Niedriglastbetrieb ist. Dabei schließt der Begriff „Leerlaufbetrieb“ auch einen Startbetrieb der Brennkraftmaschine ein. Der zweite, obere Lastbereich ist einer Last zugeordnet, die höher ist als eine höchste Last in dem ersten, unteren Lastbereich. Insbesondere existiert bevorzugt eine Grenzlast als Umschaltlastpunkt, bei der zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine umgeschaltet wird, wobei diese Grenzlast entsprechend den ersten, unteren Lastbereich von dem zweiten, oberen Lastbereich abgrenzt. Der zweite, obere Lastbereich entspricht bevorzugt einer Nennlast und/oder einer Volllast der Brennkraftmaschine.
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Der erste, untere Lastbereich ist insbesondere ein Lastbereich, in dem eine endliche Drosselreserve vorliegt; das heißt ein in dem Ladepfad angeordnetes Drosselorgan ist nicht vollständig geöffnet. Gerade aufgrund der Drosselung des Hauptbrennstoffpfads kommt es zu den zuvor beschriebenen Druckverhältnissen in dem Hauptbrennraum, insbesondere im Ansaugtakt und zumindest teilweise auch im Auslasstakt, wobei die entsprechenden Probleme auftreten, die gemäß der hier vorgeschlagenen technischen Lehre gemindert, vorzugsweise gelöst werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand an dem Umschaltlastpunkt umgeschaltet wird, wobei dieser Umschaltlastpunkt zugleich der Grenzlastpunkt ist, der den ersten, unteren Lastbereich von dem zweiten, oberen Lastbereich abgrenzt. Insbesondere ist der Umschaltlastpunkt definiert durch eine Umschaltdrehzahl und/oder ein Umschaltdrehmoment, insbesondere eine Kombination aus einer Umschaltdrehzahl und einem Umschaltdrehmoment. Besonders bevorzugt ist der Umschaltlastpunkt in einem Kennfeld in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine hinterlegt. Somit kann vorteilhaft abhängig von den weiteren Betriebsparametern bei verschiedenen Umschaltlastpunkten umgeschaltet werden. Diese weiteren Betriebsparameter können insbesondere eine Temperatur, insbesondere eine Umgebungstemperatur der Brennkraftmaschine, ein Ladedruck in dem Ladepfad, und/oder ein Umgebungsdruck der Brennkraftmaschine sein. Abhängig von diesen Parametern kann sich das Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand an verschiedenen Lastpunkten als günstig erweisen, insbesondere weil die konkret über dem druckgesteuerten Ventil vorliegenden Druckverhältnisse von jedem dieser genannten Parameter abhängen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Brennstoff ein Brenngas verwendet wird. Unter einem Brenngas wird dabei ein brennbarer Stoff oder ein brennbares Stoffgemisch verstanden, der/das unter Normalbedingungen, insbesondere also bei 25 °C und 1013 mbar, gasförmig ist. Bevorzugt wird ein methanhaltiges Brenngas und/oder ein wasserstoffhaltiges Brenngas verwendet. Als Brenngas kann beispielsweise Erdgas, insbesondere komprimiertes Erdgas (Compressed Natural Gas - CNG) oder verflüssigtes Erdgas (Liquefied Natural Gas - LNG); Biogas; Kokereigas; Deponiegas; Rohstoffbegleitgas; ein Prozessgas der chemischen Industrie, der Montanindustrie oder der Hüttenindustrie; ein Fackelgas; ein Sondergas; Klärgas; ein anderes geeignetes Gas; oder ein Gemisch aus wenigstens zwei der genannten Gase, verwendet werden. Insbesondere bei der Verwendung eines Brenngases als Brennstoff verwirklichen sich die bereits genannten Vorteile.
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Für den Nebenbrennstoffpfad wird bevorzugt derselbe Brennstoff bereitgestellt, der auch dem Hauptbrennraum über den Hauptbrennstoffpfad zugeführt wird.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum aufweist, der einen Hauptbrennraum und eine dem Hauptbrennraum zugeordnete Vorkammer aufweist, wobei ein Hauptbrennstoffpfad mit dem Hauptbrennraum strömungstechnisch verbunden ist, um dem Hauptbrennraum über den Hauptbrennstoffpfad Brennstoff zuzuführen. Mit der Vorkammer ist der Nebenbrennstoffpfad strömungstechnisch verbunden, wobei in dem Nebenbrennstoffpfad ein druckgesteuertes Ventil angeordnet ist. Der Vorkammer kann Brennstoff durch den Nebenbrennstoffpfad über das druckgesteuerte Ventil zugeführt werden. Die Brennkraftmaschine weist außerdem eine Sperreinrichtung auf, die eingerichtet ist, um den Nebenbrennstoffpfad in einer ersten Funktionsstellung zu sperren und in einer zweiten Funktionsstellung freizugeben. Ferner weist die Brennkraftmaschine ein Steuergerät auf, welches mit der Sperreinrichtung wirkverbunden ist, um die Sperreinrichtung anzusteuern. Das Steuergerät ist eingerichtet, um die Sperreinrichtung in einem ersten, unteren Lastbereich der Brennkraftmaschine in ihre erste Funktionsstellung anzusteuern, und um die Sperreinrichtung in einen zweiten, oberen Lastbereich der Brennkraftmaschine in ihre zweite Funktionsstellung anzusteuern. Insbesondere ist das Steuergerät eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren oder ein Verfahren gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich insbesondere diejenigen Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Die Sperreinrichtung ist vorzugsweise als Schaltventil ausgebildet oder weist wenigstens ein Schaltventil auf. Das Steuergerät ist mit dem Schaltventil zu dessen Ansteuerung wirkverbunden. Das Schaltventil ist insbesondere zusätzlich zu dem druckgesteuerten Ventil in dem Nebenbrennstoffpfad angeordnet, insbesondere stromaufwärts des druckgesteuerten Ventils, oder alternativ stromabwärts des druckgesteuerten Ventils.
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Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt eine Mehrzahl von Brennräumen auf, wobei jeder Brennraum einen Hauptbrennraum und eine diesem zugeordnete Vorkammer aufweist. Insbesondere sind die Brennräume bevorzugt identisch zueinander ausgebildet. Jeder Vorkammer ist bevorzugt separat ein druckgesteuertes Ventil zugeordnet, welches in einem zu der jeweiligen Vorkammer führenden Abzweig des Nebenbrennstoffpfads angeordnet ist.
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Bevorzugt ist allen Vorkammern global ein einziges, gemeinsames Schaltventil zugeordnet, welches in einem gemeinsamen Teil des Nebenbrennstoffpfads angeordnet ist, von dem die verschiedenen Abzweige zu den einzelnen Vorkammern entspringen. Es ist aber auch möglich, dass jeder Vorkammer ein separates Schaltventil insbesondere in dem jeweiligen Abzweig des Nebenbrennstoffpfads zugeordnet ist. Das Steuergerät ist dann bevorzugt eingerichtet, um die verschiedenen Schaltventile zugleich in eine identische Funktionsstellung zu schalten.
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Die Brennkraftmaschine weist vorzugsweise vier, sechs, acht, zehn, zwölf, vierzehn, sechzehn, achtzehn oder zwanzig Brennräume auf. Selbstverständlich ist aber auch eine andere, insbesondere größere oder kleinere Anzahl von Brennräumen möglich.
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Vorzugsweise ist in dem wenigstens einen Hauptbrennraum ein Kolben hubbeweglich verlagerbar. Die Brennkraftmaschine ist insofern bevorzugt als Hubkolbenmotor ausgebildet.
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Vorzugsweise weist die Brennkraftmaschine in einem Ladepfad, der mit dem Hauptbrennraum zur Zufuhr von Verbrennungsluft strömungstechnisch verbunden ist, ein Drosselorgan auf, wobei mittels des Drosselorgans ein Strömungsquerschnitt in dem Ladepfad veränderbar ist. Das Steuergerät ist bevorzugt mit dem Drosselorgan zur Laststeuerung der Brennkraftmaschine wirkverbunden. Das Drosselorgan ist bevorzugt eine Drosselklappe. Gerade in Zusammenhang mit der Laststeuerung der Brennkraftmaschine über ein solches Drosselorgan ergeben sich die zuvor beschriebenen Probleme, die mittels der hier vorgeschlagenen technischen Lehre gelindert oder ganz vermieden werden.
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Es ist möglich, dass der Ladepfad zugleich - zumindest bereichsweise - der Hauptbrennstoffpfad ist, wobei dem Hauptbrennraum über den Ladepfad ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zugeführt wird. Hierzu ist in dem Ladepfad bevorzugt ein Gasmischer angeordnet. Es ist aber auch möglich, dass der Hauptbrennstoffpfad mit einem Brennstoffinjektor zur Direkteinbringung des Brennstoffs in den Hauptbrennraum strömungstechnisch verbunden ist. Es ist dann möglich, dass dem Hauptbrennraum Verbrennungsluft einerseits über den Ladepfad und Brennstoff andererseits über den Hauptbrennstoffpfad separat zugeführt werden. Auch eine Einzelpunkt- oder Mehrpunkteindüsung ist möglich.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Brennkraftmaschine eingerichtet ist, um mit einem Brenngas als Brennstoff betrieben zu werden. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die bereits genannten Vorteile.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine.
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Die einzige Fig. zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit wenigstens einem Brennraum 3, hier einer Mehrzahl von Brennräumen 3, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen nur einer mit dem entsprechenden Bezugszeichen gekennzeichnet ist. Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine 1 weist zwölf Brennräume auf, die in zwei Brennraumgruppen, sogenannte Zylinderbänke, unterteilt sind, wobei jede Brennraumgruppe sechs Brennräume 3 umfasst. Die Brennräume 3 sind bevorzugt untereinander identisch ausgebildet, sodass im Folgenden nur auf einen der Brennräume 3 näher eingegangen wird, wobei alles zu diesem Brennraum 3 Ausgeführte auch auf die anderen Brennräume 3 zutrifft.
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Der Brennraum 3 ist unterteilt in einen Hauptbrennraum 5 und eine Vorkammer 7. Die Vorkammer 7 ist insbesondere über eine Vorkammerwandung von dem Hauptbrennraum 5 abgeteilt, wobei in der Vorkammerwandung wenigstens eine Überströmbohrung, vorzugsweise eine Mehrzahl von Überströmbohrungen ausgebildet ist, über welche ein Vorkammervolumen der Vorkammer 7 mit dem Hauptbrennraum 5 strömungstechnisch verbunden ist.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist einen Hauptbrennstoffpfad 9 auf, über welchen dem Hauptbrennraum 5 Brennstoff zugeführt werden kann. Dabei ist der Hauptbrennstoffpfad 9 hier zumindest abschnittsweise identisch mit einem Ladepfad 11, wobei dem Hauptbrennraum 5 über den Ladepfad 11 ein vorzugsweise verdichtetes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zugeführt wird.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem einen Nebenbrennstoffpfad 13 auf, der über ein druckgesteuertes Ventil 15 in die Vorkammer 7 mündet. Das druckgesteuerte Ventil 15 ist bevorzugt als Rückschlagventil ausgebildet. Vorzugsweise ist jeder Vorkammer 7 ein separates druckgesteuertes Ventil 15 in einem jeweiligen Abzweig 17 des Nebenbrennstoffpfads 13 zugeordnet, wobei der Abzweig 17 jeweils zu der entsprechenden Vorkammer 7 führt. Für den Nebenbrennstoffpfad 13, vorzugsweise in dem Nebenbrennstoffpfad 13, wird Brennstoff bereitgestellt, der der Vorkammer 7 über das druckgesteuerte Ventil 15 zugeführt werden kann. Dabei wird in dem Nebenbrennstoffpfad 13 bevorzugt reiner Brennstoff, also kein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch bereitgestellt. Der Brennstoff wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Vorkammer-Gasregelstrecke 19 bereitgestellt. Die Vorkammer-Gasregelstrecke 19 weist bevorzugt eine Zuleitung für den Brennstoff zu dem Nebenbrennstoffpfad 13 und eine Druckregeleinrichtung zur Regelung des Brennstoffdrucks in der Zuleitung und damit bevorzugt zugleich in dem Nebenbrennstoffpfad 13 auf.
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Die Brennkraftmaschine weist außerdem eine Sperreinrichtung 21 auf, die eingerichtet ist, um den Nebenbrennstoffpfad 13 in einer ersten Funktionsstellung zu sperren und in einer zweiten Funktionsstellung freizugeben. Außerdem weist die Brennkraftmaschine 1 ein Steuergerät 23 auf, das eingerichtet ist, um die Sperreinrichtung 21 wahlweise in die erste Funktionsstellung oder in die zweite Funktionsstellung zu schalten. Insbesondere ist dabei das Steuergerät 23 eingerichtet zur Durchführung folgender Verfahrensschritte:
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In einem ersten, unteren Lastbereich der Brennkraftmaschine 1 wird der Nebenbrennstoffpfad 13 in einem ersten Betriebszustand gesperrt, sodass kein Brennstoff über das druckgesteuerte Ventil 15 in die Vorkammer 7 gelangen kann. Hierzu wird insbesondere die Sperreinrichtung 21 in ihre erste Funktionsstellung geschaltet. In einem zweiten, oberen Lastbereich wird der Nebenbrennstoffpfad 13 in einem zweiten Betriebszustand freigegeben, sodass der Vorkammer 7 Brennstoff über das druckgesteuerte Ventil 15 zugeführt werden kann. Hierzu wird die Sperreinrichtung 21 insbesondere in ihre zweite Funktionsstellung geschaltet.
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Dadurch, dass der Nebenbrennstoffpfad 13 in dem ersten Betriebszustand gesperrt wird, wird ein Überspülen der Vorkammer 7 mit reinem Brennstoff aufgrund ungünstiger Druckverhältnisse im niedrigen Lastbereich vermieden oder zumindest verringert, sodass zum einen ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine 1 auch in diesen Betriebszuständen gewährleistet werden kann, wobei zum anderen ein Austragen unverbrannten Brennstoffs in eine Umgebung der Brennkraftmaschine 1, insbesondere ein Methanschlupf, deutlich verringert, vorzugsweise vermieden wird.
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Die Sperreinrichtung 21 ist vorzugsweise als Schaltventil 25 ausgebildet oder weist zumindest ein Schaltventil 25 auf, wobei das Schaltventil 25 in dem Nebenbrennstoffpfad 13 zusätzlich zu dem druckgesteuerten Ventil 15 angeordnet ist. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schaltventil 25 stromaufwärts des druckgesteuerten Ventils 15 in dem Nebenbrennstoffpfad 13 angeordnet, insbesondere in einem gemeinsamen Teil 27 des Nebenbrennstoffpfads 13, der allen Vorkammern 7 gemeinsam ist. Es bedarf dann lediglich eines einzigen Schaltventils 25 für alle Vorkammern 7. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass entweder jeder Zylinderbank oder Brennraumgruppe ein solches Schaltventil 25 zugeordnet ist, oder dass jeder Vorkammer 7 separat ein solches Schaltventil 25 zugeordnet ist. In letzterem Fall kann das Schaltventil 25 auch stromabwärts des druckgesteuerten Ventils 15 angeordnet sein.
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Das Schaltventil 25 ist insbesondere eingerichtet und angeordnet, um den Nebenbrennstoffpfad 13 in seiner ersten Funktionsstellung zu sperren und in seiner zweiten Funktionsstellung freizugeben.
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Bevorzugt wird in dem Hauptbrennraum 5 in dem ersten, unteren Lastbereich ein stöchiometrisches oder ein unterstöchiometrisches, das heißt fettes, Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch bereitgestellt. Alternativ oder zusätzlich wird in dem Hauptbrennraum 5 in dem zweiten, oberen Lastbereich ein überstöchiometrisches, das heißt mageres, Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch, bereitgestellt.
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Der erste, untere Lastbereich ist bevorzugt ein Leerlaufbetrieb, was insbesondere auch einen Startbetrieb einschließt, und/oder ein Niedriglastbetrieb. Der zweite obere Lastbereich ist insbesondere gekennzeichnet durch eine Last, die höher ist als eine höchste Last in dem ersten, unteren Lastbereich. Insbesondere ist dem zweiten, oberen Lastbereich bevorzugt eine Nennlast und/oder eine Volllast der Brennkraftmaschine 1 zugeordnet.
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Vorzugsweise wird zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand in einem Umschaltlastpunkt umgeschaltet, wobei der Umschaltlastpunkt ein Grenzlastpunkt ist, der den ersten, unteren Lastbereich von dem zweiten, oberen Lastbereich abgrenzt. Der Umschaltlastpunkt ist dabei insbesondere eine Grenz-Drehzahl und/oder ein Grenz-Drehmoment, insbesondere ein 2-Tupel oder Paar aus einem Grenz-Drehmoment und einer Grenz-Drehzahl. Vorzugsweise ist der Umschaltlastpunkt in einem Kennfeld hinterlegt, insbesondere abhängig von weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1. Wenigstens ein solcher weiterer Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Temperatur, insbesondere Umgebungstemperatur der Brennkraftmaschine 1, einem Ladedruck in dem Ladepfad 11, und einem Umgebungsdruck der Brennkraftmaschine 1.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Gasmotor ausgebildet, wobei als Brennstoff ein Brenngas verwendet wird. Insbesondere wird für den Nebenbrennstoffpfad 13 und für den Hauptbrennstoffpfad 9 ein identischer Brennstoff verwendet, insbesondere ein gleiches Brenngas.
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In dem Ladepfad 11 ist bevorzugt ein Drosselorgan 29 zur Laststeuerung angeordnet, wobei das Steuergerät 23 bevorzugt mit dem Drosselorgan 29 zur Laststeuerung wirkverbunden ist. Durch das Drosselorgan 29 ist dabei ein Strömungsquerschnitt durch den Ladepfad 11 veränderbar, insbesondere wahlweise verringerbar oder erweiterbar. Bevorzugt ist das Drosselorgan 29 als Drosselklappe ausgebildet.
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Dadurch, dass die Brennkraftmaschine 1 in dem ersten, unteren Leistungsbereich als ungespülter Vorkammermotor betrieben wird, können die mit den in diesem Leistungsbereich vorliegenden Druckverhältnissen verbundenen Probleme gelindert, vorzugsweise vermieden werden. Insbesondere kann auf diese Weise die Robustheit der Brennkraftmaschine 1 beim Startvorgang gesteigert werden. Zusätzlich kann der Methanschlupf im unteren Leistungsbereich bei Verwendung eines methanhaltigen Brenngases als Brennstoff stark reduziert werden, was die Umweltverträglichkeit der Brennkraftmaschine 1 signifikant verbessert.
