DE102019129552A1

DE102019129552A1 - System und Verfahren zur Restgasspülung eines Restgases aus einer Zündkammer eines ottomotorischen Brennverfahrens einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102019129552A1
Application number: DE102019129552.1A
Authority: DE
Inventors: Gwendal Lucas
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2021-05-06
Also published as: CN112780398B; CN112780398A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung eines Restgases aus einer Zündkammer (20) einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (100), die wenigstens einen Brennraum (10) und eine dem Brennraum (10) zugeordnete, mit einer Zündeinrichtung (21) versehene Zündkammer (20) zum Zünden einer in der Zündkammer (20) vorhandenen Zündkammerladung eines restgasfreien zündfähigen Fluids (F) zu einem Zündzeitpunkt umfasst, wobei das Restgas einer in der Zündkammer (20) gezündeten Zündkammerladung vor dem Zündzeitpunkt mit einer Spülladung eines Fluids (F) aus der Zündkammer (20) gespült wird.Es ist vorgesehen, dass die Spülladung in einem der Brennkraftmaschine (100) zugeordneten Restgasspülsystem (30, 31, 32) vorgehalten und auf einen vorgebbaren Druck (pv) verdichtet wird, der in einem Ansaugtakt (1.) oder einem Ausschiebetakt (4.) der Brennkraftmaschine (100) größer ist als derjenige Druck (p12, p13), der in dem mit der Zündkammer (20) druckseitig in Verbindung stehenden Brennraum (10) anliegt, so dass eine Restgasspülung im Ansaugtakt (1.) oder im Ausschiebetakt (4.) durch ein Druckgefälle (Δpv_max/p12; Δpv_max/p13) zwischen dem Restgasspülsystem und dem Brennraum (10) durchgeführt wird, so dass die Spülladung durch das Druckgefälle (Δpv_max/p12; Δpv_max/p13) zu einem vorgebbaren Zeitpunkt innerhalb des Ansaugtaktes (1.) oder innerhalb des Ausschiebetaktes (4.) über die Zündkammer (20) in den Brennraum (10) strömt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Entfernung eines Restgases aus einer Zündkammer einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, die wenigstens einen Brennraum und eine dem Brennraum zugeordnete, mit einer Zündeinrichtung versehene Zündkammer zum Zünden einer in der Zündkammer vorhandenen Zündkammerladung eines restgasfreien zündfähigen Fluids zu einem Zündzeitpunkt umfasst, wobei das Restgas einer in der Zündkammer gezündeten Zündkammerladung vor dem Zündzeitpunkt mit einer Spülladung eines Fluids aus der Zündkammer gespült wird.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein System mit einer Zündkammer, die einem Brennraum zugeordnet ist, wobei das System für Otto- beziehungsweise Erdgas-Brennverfahren eingesetzt wird. Innerhalb der Entwicklung wurden solche Systeme und die zugehörigen Verfahren ohne Restgasspülung gemäß 1 ausgestaltet. Die 1 zeigt einen Brennraum 10 oberhalb eines Kolbens 11 einer ottomotorischen Brennkraftmaschine 100 mit einem symbolisch dargestellten Einlassventil 12 und einem Auslassventil 13, insbesondere einer Brennkraftmaschine 100, die beispielsweise als Viertaktmotor ausgebildet ist, wobei dem Brennraum 10 eine Zündkammer 20 zugeordnet ist, die eine Zündkerze 21 zum Zünden einer der Zündkammer 20 zugeführten Zündkammerladung umfasst. Die zugehörige Arbeitsweise einer solchen ottomotorischen Brennkraftmaschine 100 ist hinlänglich bekannt.
Weiterentwickelte Systeme, wie beispielsweise das in 2 gezeigte System gemäß der Druckschrift DE 10 2005 017 186 A1 , ermöglichen, dass das bei einem Kompressionsbeginn in der Zündkammer 20 befindliche Restgas während des Kompressionsvorgangs über im hinteren Bereich der Zündkammer 20 und insbesondere hinter der Zündstelle befindliche Austrittskanäle möglichst weitgehend aus der Zündkammer 20 entweichen kann. Dabei kann das entweichende Restgas entweder in einem Zwischenspeicher 22 gespeichert werden, um nachfolgend nach der Energieumsetzung und dabei insbesondere während und nach dem Expansionstakt wieder in die Zündkammer 20 zu strömen, oder das Restgas kann über ein Steuerventil 23 insbesondere in das Saugrohr 14 gelenkt werden, um nachfolgend wieder mit der der Brennkraftmaschine 100 zugeführten Verbrennungsluft beziehungsweise mit dem der Brennkraftmaschine 100 zugeführten Fluid, insbesondere einem Kraftstoff/Luft-Gemisch, wieder dem Brennraum 10 beziehungsweise den Brennräumen der Brennkraftmaschine 100 zugeführt zu werden.
Zusammengefasst stellt sich das Problem, dass der Wirkungsgrad der Zündkammer 20 in einem durch eine Zündkammer 20 gezündeten Otto- beziehungsweise Erdgas-Brennverfahren durch das zurückbleibende Restgas in der Zündkammer 20 beschränkt wird. Gemäß der Druckschrift DE 10 2005 017 186 A1 wird ermöglicht, dass das Restgas während des Kompressionstaktes in einem hinteren Zündkammerbereich gedrängt und von dort über Ableitkanäle in einem Zwischenspeicher außerhalb der Zündkammer oder über Leitungen gesteuert in das Saugrohr abgeführt wird.
Insbesondere in der ersten Variante 1 steigt während des Kompressionstaktes in dem Zwischenspeicher der Restgasdruck, der die Abfuhr des Restgases aus der Zündkammer 20 aufgrund des hohen Gegendrucks in nachteiliger Weise möglicherweise erschwert. Nach dem Druckabfall in der Zündkammer 20 während des Expansionstaktes strömt das in dem Zwischenspeicher 22 befindliche Restgas in die Zündkammer 20 zurück. Die in der Zündkammer 20 vorkommenden Druckpulsationen erschweren in nachteiliger Weise möglicherweise diesen Vorgang.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes System zur Spülung eines Restgases einer einem Brennraum zugeordneten Zündkammer für ein Otto-beziehungsweise Erdgas-Brennverfahren zu schaffen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zur Entfernung eines Restgases aus einer Zündkammer einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, die wenigstens einen Brennraum und eine dem Brennraum zugeordnete und mit einer Zündeinrichtung versehene Zündkammer zum Zünden einer in der Zündkammer vorhandenen Zündkammerladung eines restgasfreien zündfähigen Fluids, insbesondere eines Kraftstoff/Luft-Gemischs oder eines Kraftstoff/Luft/Abgas-Gemischs zu einem Zündzeitpunkt umfasst, wobei das Restgas einer in der Zündkammer gezündeten Zündkammerladung vor dem Zündzeitpunkt mit einer Spülladung eines Fluids aus der Zündkammer gespült wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Spülladung in einem der Brennkraftmaschine zugeordneten Restgasspülsystem vorgehalten und auf einen vorgebbaren Druck verdichtet wird, der in einem Ansaugtakt oder einem Ausschiebetakt der Brennkraftmaschine größer ist als derjenige Druck, der in dem mit der Zündkammer druckseitig in Verbindung stehenden Brennraum anliegt, so dass eine Restgasspülung im Ansaugtakt oder im Ausschiebetakt durch ein Druckgefälle zwischen dem Restgasspülsystem und dem Brennraum durchgeführt wird.
In vorteilhafter Weise strömt die Spülladung durch das Druckgefälle zu einem vorgebbaren Zeitpunkt innerhalb des Ansaugtaktes (erste Ausführungsform) oder innerhalb des Ausschiebetaktes (zweite Ausführungsform) über die Zündkammer in den Brennraum.
Vorgesehen ist bevorzugt, dass die Spülladung zur Restgasspülung einem Einlassbereich des Brennraumes stromauf eines Einlassventiles des Brennraumes entnommen wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Spülladung zur Restgasspülung in einer Verdichtungskammer vor dem vorgegebenen Spülzeitpunkt, an dem die Restgasspülung beginnt, auf den vorgebbaren Druck verdichtet wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Restgasspülung im Ansaugtakt vorgenommen wird, wobei eine Ladung des Fluids zur Erzeugung der Spülladung in die Verdichtungskammer noch während des Ansaugtaktes eines Arbeitsspieles, jedoch nach der im selben Ansaugtakt vorhergehenden Restgasspülung, oder in einem der nachfolgenden Takte des Arbeitsspieles beginnt und abgeschlossen wird.
Vorgesehen ist bevorzugt, dass das Fluid in die nur einlassseitig geöffnete Verdichtungskammer strömt, während sich das Einlassventil des Brennraumes bei einer Art und Weise der Füllung in einer Offenposition oder in einer anderen Art und Weise der Füllung in Schließposition befindet, so dass das Fluid während des jeweiligen Taktes einlassseitig in die Verdichtungskammer gedrückt wird.
Das Volumen der Verdichtungskammer wird erfindungsgemäß bei einlassseitig geöffneter Verdichtungskammer (Art und Weise der Füllung) vergrößert, während das Fluid einströmt, oder das Volumen wird bei einlassseitig geschlossener Verdichtungskammer (Art und Weise der Füllung) vergrößert, bevor das Fluid in die Verdichtungskammer einströmt, wodurch das Fluid jeweils in die Verdichtungskammer gesaugt wird, sobald die Verdichtungskammer einlassseitig geöffnet ist, wobei die Verdichtungskammer anschließend, nachdem das Fluid eingeströmt ist, einlassseitig geschlossen wird, wonach das Volumen der Verdichtungskammer wieder verringert und die Spülladung in der Verdichtungskammer rechtzeitig vor dem vorgegebenen Spülzeitpunkt auf den vorgebbaren Druck verdichtet wird.
Es ist vorgesehen, dass die Restgasspülung zu dem vorgegebenen Spülzeitpunkt in jedem Ansaugtakt eines Arbeitsspiels mittels der in der Verdichtungskammer verdichteten Spülladung vorgenommen wird, indem die Verdichtungskammer in jedem Ansaugtakt ausschließlich auslassseitig in Richtung der Zündkammer geöffnet wird.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Restgasspülung im Ausschiebetakt vorgenommen wird, wobei eine Ladung des Fluids zur Erzeugung der Spülladung in die Verdichtungskammer während des Ausschiebetaktes des gleichen Arbeitsspieles, jedoch vor der im Ausschiebetakt vorgenommenen Restgasspülung, oder in einem der vorhergehenden Takte des Arbeitsspieles beginnt und abgeschlossen wird.
Die Restgasspülung wird zu dem vorgegebenen Spülzeitpunkt in jedem Ausschiebetakt eines Arbeitsspiels mittels der in der Verdichtungskammer verdichteten Spülladung vorgenommen, indem die Verdichtungskammer in jedem Ausschiebetakt ausschließlich auslassseitig in Richtung der Zündkammer geöffnet wird.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ist analog vorgesehen, dass das Fluid in die nur einlassseitig geöffnete Verdichtungskammer strömt, während sich das Einlassventil des Brennraumes bei einer Art und Weise der Füllung in einer Offenposition oder in einer anderen Art und Weise der Füllung in Schließposition befindet, so dass das Fluid während des jeweiligen Taktes einlassseitig in die Verdichtungskammer gedrückt wird.
Das Volumen der Verdichtungskammer wird erfindungsgemäß auch bei der zweiten Ausführungsform bei einlassseitig geöffneter Verdichtungskammer (Art und Weise der Füllung) vergrößert, während das Fluid einströmt, oder das Volumen wird bei einlassseitig geschlossener Verdichtungskammer (Art und Weise der Füllung) vergrößert, bevor das Fluid in die Verdichtungskammer einströmt, wodurch das Fluid jeweils in die Verdichtungskammer gesaugt wird, sobald die Verdichtungskammer einlassseitig geöffnet ist, wobei die Verdichtungskammer anschließend, nachdem das Fluid eingeströmt ist, einlassseitig geschlossen wird, wonach das Volumen der Verdichtungskammer wieder verringert und die Spülladung in der Verdichtungskammer rechtzeitig vor dem vorgegebenen Spülzeitpunkt auf den vorgebbaren Druck verdichtet wird.
Mit anderen Worten, der Spülzeitpunkt zur Restgasspülung - im Ansaugtakt oder Ausschiebetakt - kann gemäß den zuvor und nachfolgend erläuterten Ausführungsformen zu unterschiedlichen Zeiten vorgesehen werden, wie in der Beschreibung erläutert ist.
Als Grundsatz gilt, dass die Spülladung erfindungsgemäß vor dem Spülzeitpunkt der Restgasspülung erzeugt wird.
Die Erzeugung der Spülladung der Restgasspülung muss somit abgeschlossen sein, bevor die Restgasspülung beginnt.
Bei einer ersten Ausführungsformen wird in einer Ausführungsvariante bevorzugt derart vorgegangen:

Eine Ladung des Fluides zur Erzeugung der Spülladung in die Verdichtungskammer in einer Ausführungsvariante der ersten Ausführungsform während des Ansaugtaktes beginnt, wobei der Zeitpunkt, an dem die Erzeugung der Spülladung frühestens beginnt, erst nach der im selben Ansaugtakt vorhergehenden Restgasspülung liegt. Mit anderen Worten, die erzeugte Spülladung zur Restgasspülung wird im Ansaugtakt nach der durchgeführten Restgasspülung an sich oder in einem der nachfolgenden Takte erzeugt. Das heißt, die jeweils erzeugte Spülladung kommt erst im Ansaugtakt des nächsten Arbeitsspieles für die Restgasspülung zum Einsatz.

Vorgesehen ist, dass das Fluid in dieser Ausführungsvariante in die nur einlassseitig geöffnete Verdichtungskammer strömt, während sich das Einlassventil des Brennraumes in dieser Ausführungsvariante noch in einer Offenposition befindet.
Das Fluid wird gemäß dieser Ausführungsvariante während des Ansaugtaktes einlassseitig in die Verdichtungskammer gedrückt, während das Volumen der Verdichtungskammer in dieser Ausführungsvariante nach dem Schließen des Einlassventiles des Brennraumes, bei noch nur einlassseitig geöffneter Verdichtungskammer, vergrößert wird.
Dadurch wird das Fluid in dieser Ausführungsvariante mit Beginn des sich anschließenden Verdichtungstaktes, bei jetzt geschlossenem Einlassventil des Brennraumes, in die noch einlassseitig offene Verdichtungskammer gesaugt, wobei die Verdichtungskammer anschließend auch einlassseitig geschlossen wird.
Das Volumen der Verdichtungskammer wird anschließend verringert und die Spülladung in der Verdichtungskammer wird rechtzeitig vor dem vorgegebenen Spülzeitpunkt auf den vorgebbaren Druck verdichtet.
Von dieser Ausführungsvariante abweichende Ausführungsvarianten hinsichtlich einiger Details insbesondere der Art und Weise der Füllung, welche dem Grundsatz der erfindungsgemäßen Idee folgen, sind in der Beschreibung näher erläutert.
Bei einer Ausführungsvariante der zweiten Ausführungsform findet die Restgasspülung mittels der im Ansaugtakt in der Verdichtungskammer erzeugten Spülladung statt, wobei die Verdichtungskammer in dem nachfolgenden Ausschiebetakt des gleichen Arbeitsspiels ausschließlich auslassseitig in Richtung der Zündkammer geöffnet wird, das heißt, die Restgasspülung findet erst im Ausschiebetakt statt.
Die Spülladung wird somit im Ansaugtakt vor dem Spülzeitpunkt der Restgasspülung im Ausschiebetakt im gleichen Arbeitsspiel erzeugt. Die Erzeugung der Spülladung der Restgasspülung wird abgeschlossen, bevor die Restgasspülung (im Ausschiebetakt) beginnt.
Bei der zweiten Ausführungsform kann die Füllung und Verdichtung der Spülladung im Ansaugtakt (wie zuvor erläutert) vorgenommen werden oder auch später in den darauffolgenden Takten. Spätestens bis zum auslassseitigen Öffnen der Verdichtungskammer im Ausschiebetakt muss die Füllung und Verdichtung der Spülladung zur Restgasspülung stattgefunden haben, wobei die Verdichtungskammer - zum Spülzeitpunkt der Restgasspülung - spätestens in dem Ausschiebetakt des gleichen Arbeitsspiels ausschließlich auslassseitig in Richtung der Zündkammer geöffnet wird.
Mit anderen Worten, zwischen den Ausführungsformen besteht der wesentliche Unterschied darin, zu welchem Zeitpunkt (erste oder zweite Ausführungsform) die Restgasspülung (im Ansaugtakt (erste Ausführungsform) oder im Ausschiebetakt (zweite Ausführungsform)) stattfindet. Erfindungsgemäß wird die Spülladung entsprechend vorher rechtzeitig auf in der Beschreibung erläuterte Art und Weise erzeugt.
Die Erfindung beschreibt ein System zur Entfernung eines Restgases aus einer Zündkammer einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, welches mindestens einen Brennraum und die dem Brennraum zugeordnete, mit einer Zündeinrichtung versehene Zündkammer zum Zünden einer in der Zündkammer vorhandenen Zündkammerladung eines restgasfreien zündfähigen Fluids umfasst, wobei das Restgas der in der Zündkammer gezündeten Zündkammerladung vor dem Zündzeitpunkt mit einer Spülladung eines Fluids aus der Zündkammer gespült wird.
Vorgesehen ist erfindungsgemäß, dass die Spülladung in einem der Brennkraftmaschine zugeordneten Restgasspülsystem vorgehalten wird.
Das Restgasspülsystem umfasst seinerseits mindestens eine Verdichtungskammer und der Verdichtungskammer zugeordnete Ventile, die stromab und stromauf der Verdichtungskammer angeordnet sind, wobei ein erstes Ventil stromauf der Verdichtungskammer fluidseitig mit einem Einlassbereich des Brennraumes der Brennkraftmaschine und ein zweites Ventil fluidseitig stromab der Verdichtungskammer mit der Zündkammer in Verbindung steht.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass in der Verdichtungskammer ein beweglicher Verdichtungskolben angeordnet ist, dessen Bewegung in der Verdichtungskammer für eine Erhöhung und eine Reduzierung des Volumens der Verdichtungskammer sorgt, so dass eine Ladung als Spülladung bei geschlossenen Ventilen auf einen vorgebbaren Druck verdichtet und in der Verdichtungskammer vorgehalten ist.
Die Verdichtungskammer und die Ventile sind gemeinsam in einer zum Restgasspülsystem gehörenden Leitung angeordnet, die stromauf der Verdichtungskammer fluidseitig mit dem Einlassbereich des Brennraumes der Brennkraftmaschine und fluidseitig stromab der Verdichtungskammer mit der Zündkammer in Verbindung steht.
Es werden zwei prinzipielle Ausführungsbeispiele zur Ansteuerung des Verdichtungskolbens der Verdichtungskammer und der Ventile vorgeschlagen. In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Restgasspülsystem eine Nockensteuerung und in einem anderen Ausführungsbeispiel eine Servosteuerung, die prinzipiell in der Beschreibung näher erläutert sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine herkömmliche Brennkraftmaschine für ein Otto- beziehungsweise Erdgas-Brennverfahren - ohne Restgasspülung - mit einem Brennraum, dem eine Zündkammer zugeordnet ist, die eine Zündkerze zum Zünden einer der Zündkammer zugeführten Zündkammerladung umfasst;
2 eine bekannte weiterentwickelte Brennkraftmaschine für ein Otto- beziehungsweise Erdgas-Brennverfahren - mit Restgasspülung - mit einem Brennraum, dem eine Zündkammer zugeordnet ist, die eine Zündkerze zum Zünden einer der Zündkammer zugeführten Zündkammerladung umfasst, wobei dem System ein Zwischenspeicher zugeordnet ist, in dem das Restgas zwischengespeichert oder über ein dem System zugeordnetes Steuerventil aus dem Zwischenspeicher in ein Saugrohr gelenkt wird;
3 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine für ein Otto- beziehungsweise Erdgas-Brennverfahren - mit Restgasspülung - mit einem Brennraum, dem eine Zündkammer zugeordnet ist, die eine Zündkerze zum Zünden einer der Zündkammer zugeführten Zündkammerladung umfasst, wobei dem System eine Verdichtungskammer als Zwischenspeicher zugeordnet ist, wobei das Restgas mittels einer Ventilanordnung durch eine in der Verdichtungskammer druckseitig vorgespannte Verdichtungskammer-Spülladung zu einem vorgebbaren Zeitpunkt aus der Zündkammer gespült wird;
3-1 ein V/t-Diagramm, welches das Volumen des Brennraumes und das Volumen einer Verdichtungskammer über Zeit innerhalb eines Arbeitsspieles einer ViertaktBrennkraftmaschine gemäß 3 in den Takten des Arbeitsspieles in einer ersten Ausführungsform einer „aktiven Spülung im Ansaugtakt“ verdeutlicht;
3-2 ein V_h/t-Diagramm gemäß der ersten Ausführungsform, welches den jeweiligen Ventilhub der Ventile der Ventilanordnung über der Zeit innerhalb des Arbeitsspieles verdeutlicht;
3-3 ein p/t-Diagramm gemäß der ersten Ausführungsform, welches den Einlassdruck vor dem Einlassventil und einen Druckverlauf mit dem maximalen Verdichtungskammerdruck der Verdichtungskammer in Abhängigkeit des Ventilhubes der Ventile der Ventilanordnung über der Zeit innerhalb des Arbeitsspieles verdeutlicht;
4 die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine gemäß 3 analog für ein Otto-beziehungsweise Erdgas-Brennverfahren - mit Restgasspülung - mit einem Brennraum, dem eine Zündkammer zugeordnet ist, die eine Zündkerze zum Zünden einer der Zündkammer zugeführten Zündkammerladung umfasst, wobei dem System eine Verdichtungskammer als Zwischenspeicher zugeordnet ist, wobei das Restgas mittels einer Ventilanordnung durch eine in der Verdichtungskammer druckseitig vorgespannte Verdichtungskammer-Spülladung zu einem vorgebbaren Zeitpunkt aus der Zündkammer gespült wird;
4-1 ein V/t-Diagramm, welches das Volumen des Brennraumes und das Volumen der Verdichtungskammer über Zeit innerhalb eines Arbeitsspieles einer ViertaktBrennkraftmaschine gemäß 3 in den Takten des Arbeitsspieles in einer zweiten Ausführungsform einer „aktiven Spülung im Ausschiebetakt“ verdeutlicht;
4-2 ein V_h/t-Diagramm gemäß der zweiten Ausführungsform, welches den jeweiligen Ventilhub der Ventile der Ventilanordnung über der Zeit innerhalb des Arbeitsspieles verdeutlicht;
4-3 ein p/t-Diagramm gemäß der zweiten Ausführungsform, welches den Einlassdruck vor dem Einlassventil und den Auslassdruck hinter dem Auslassventil und einen Druckverlauf mit dem maximalen Verdichtungskammerdruck der Verdichtungskammer in Abhängigkeit des Ventilhubes der Ventile der Ventilanordnung über der Zeit innerhalb des Arbeitsspieles verdeutlicht;
5 ein erstes Ausführungsbeispiel des der Zündkammer zugeordneten Systems zur Restgasspülung gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform;
6 ein zweites Ausführungsbeispiel des der Zündkammer zugeordneten Systems zur Restgasspülung gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform.

Die 3 bis 3-3 zeigen in einer Zusammenschau eine erste Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung, die als „aktive Restgasspülung im Ansaugtakt“ bezeichnet wird.
Die 3 zeigt zunächst die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 100 für ein Otto-beziehungsweise Erdgas-Brennverfahren - mit der aktiven Restgasspülung im Ansaugtakt - mit einem Brennraum 10 (Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine 100), dem eine Zündkammer 20 zugeordnet ist, die eine Zündkerze 21 zum Zünden einer der Zündkammer 20 zugeführten Zündkammerladung umfasst, wobei dem nachfolgend als Restgasspülsystem bezeichneten erfindungsgemäßen System eine Verdichtungskammer 30 als Zwischenspeicher zugeordnet ist, in dem die Spülladung mittels einer Ventilanordnung 31, 32 zwischengespeichert und zu einem bestimmten Zeitpunkt (der nachfolgend erläutert wird) der Zündkammer 20 zugeführt wird.
Es versteht sich, dass der Zündkammer 20 eine Zündkammerladung zugeführt wird, die nach dem Zünden als Restgas vorliegt, so dass gemäß der Erfindung eine Restgasspülung durchgeführt wird, wobei das zugehörige System zur Zuführung der Zündkammerladung in die Zündkammer 20 und selbstverständlich der Brennraumladung in den Brennraum 10, hier nicht dargestellt, und beschrieben ist, da dieses System nicht Gegenstand der Erfindung ist.
Generell wird die Verdichtungskammer 30 als Zwischenspeicher, wie durch Vergleich der 1 und 2 mit der 3 deutlich wird, nicht an der Zündkammer 20 angeordnet, sondern ist extern angeordnet. Die Verdichtungskammer 30 ist über eine Spülleitung L1, L2, in der die Ventile 31 und 32 der Ventilanordnung 31, 32 angeordnet sind, mit der Zündkammer 20 verbunden. Die Spülleitung L1, L2 umfasst den ersten Leitungsabschnitt L1 mit dem Ventil 31 und den zweiten Leitungsabschnitt L2 mit dem Ventil 32.
Die Spülleitung L1, L2 ist einendseitig (bei L1) mit dem Einlassbereich in den Brennraum 10, stromauf eines Einlassventils 12, insbesondere mit dem Saugrohr 14 und anderenends (bei L2) mit der Zündkammer 20 verbunden. Die Verdichtungskammer 30 ist zwischen den Ventilen 31, 32 in der Spülleitung angeordnet.
Die Verdichtungskammer 30 umfasst einen Zylinder und einen beweglichen (vergleiche Pfeil im Zylinder) Verdichtungskolben 30-1, dessen Bewegung in der Verdichtungskammer 30 für eine Erhöhung und Reduzierung des Zylindervolumens des Zylinders sorgt, worauf noch eingegangen wird. In 3 ist der Verdichtungskolben 30-1 in seiner oberen Position 30-1', bei der das Zylindervolumen maximal ist.
Verfahren zur Restgasspülung gemäß der ersten Ausführungsform:

Zeitpunkt Zünd-OT:
- Ausgangspunkt der weiteren Erläuterungen zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Restgasspülung ist der Zünd-OT (vergleiche 3-1 bis 3-3) zwischen Verdichtungs- und Expansionstakt (Arbeitstakt).

Der Zünd-OT kennzeichnet die Kurbelwellenstellung der Brennkraftmaschine 100 des Verbrennungsmotors mit Fremdzündung (Ottomotor), bei der der Zündfunke an der Zündkerze 21 ausgelöst wird, wodurch die Verbrennung startet.
Einlass- und Auslassventil 12, 13 des Brennraumes 10 sind geschlossen.
Das Volumen V_B des Brennraumes 10 ist minimal, vergleiche Kennlinie V_B in 3-1 zum Zeitpunkt Zünd-OT, die das Volumen des Brennraumes 10 verdeutlicht.
Die Ventile 31 und 32 sind geschlossen, vergleiche Kennlinien V_h31 , V_h32 in 3-2 zum Zeitpunkt Zünd-OT, die den Ventilhub V_h der Ventile 31 und 32 verdeutlichen.
Der Druck p_v der Verdichtungskammer 30 über der Zeit t zum Zeitpunkt Zünd-OT entspricht dem Einlassdruck p₁₂ im Einlassbereich des Einlassventils 12, vergleiche Kennlinie p₁₂ in 3-3.
Das Volumen V_v der Verdichtungskammer 30 ist über der Zeit t zum Zeitpunkt Zünd-OT maximal, vergleiche Kennlinie V_v in 3-1 zum Zeitpunkt Zünd-OT, die das Volumen der Verdichtungskammer 30 verdeutlicht, das heißt, der Verdichtungskolben 30-1 befindet sich in seiner oberen Position 30-1'.
Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Expansionstakt 3. und Ausschiebetakt 4.:

Hat sich nach dem Expansionstakt (vergleiche 3-1 bis 3-3) im Wesentlichen zum Zeitpunkt Kolben-UT des unteren Totpunktes des Kolbens 11 das Brennraumvolumen V_B , vergleiche 3-1, entsprechend vergrößert, erfolgt der erste Schritt des Verfahrens zur Restgasspülung aus der Zündkammer 20. Die Ventile 31 und 32 sind (vergleiche 3-2) unbetätigt und somit geschlossen.

Das Auslassventil 13 des Brennraumes 10 beginnt für den nachfolgenden Ausschiebetakt, bei dem sich das Brennraumvolumen V_B , vergleiche 3-1, entsprechend verringert, zu öffnen und das Einlassventil 12 des Brennraumes 10 ist geschlossen.
In dieser Ausführungsvariante wird zum Zeitpunkt Kolben-UT das Volumen V_v der Verdichtungskammer 30 (vergleiche Kennlinie V_v ) verringert, wie 3-1 verdeutlicht, das heißt, der Verdichtungskolben 30-1 befindet sich bereits kurz nach dem Zeitpunkt Kolben-UT in seiner unteren Position 30-1'', so dass (vergleiche 3-3) der maximale Verdichtungskammerdruck p_{v_max} erreicht wird, der wie 3-3 explizit verdeutlicht, oberhalb des Einlassdrucks p₁₂ im Einlassbereich des Einlassventils 12 liegt. Es versteht sich, dass der Zeitpunkt, wenn der Verdichtungskolben 30-1 den maximalen Verdichtungskammerdruck p_{v_max} erreicht hat, entsprechend vorgebbar ist.
Der zuvor genannte Zeitpunkt gemäß der erläuterten Ausführungsvariante ist variabel.
Die Bewegung des Verdichtungskolbens 30-1 beginnt grundsätzlich erst nach dem Schließen des Ventils 31, wobei der Zeitpunkt der Bewegung des Verdichtungskolbens 30-1 zur Verdichtung der Spülladung während des Verdichtungstaktes 2., während des Expansionstaktes 3. (vor dem Kolben-UT) oder während des Ausschiebetaktes 4. (nach dem Kolben-UT) oder sogar in dem Ansaugtakt 1. (nach der im Ansaugtakt 1. stattfindenden Restgasspülung) liegen kann, stets unter der Prämisse, dass die Erzeugung der Spülladung der Restgasspülung abgeschlossen ist, bevor die Restgasspülung gemäß der ersten Ausführungsform im Ansaugtakt 1. beginnt.
Zeitpunkt LWOT:

Mit anderen Worten, zum Zeitpunkt des Ladungswechsels LWOT am Ende des Ausschiebetaktes 4. zwischen Ausschiebetakt 4. und Ansaugtakt 1. (vergleiche 3-3) wird durch die Kolbenbewegung des Kolbens 30-1 der Verdichtungskammer 30 für eine Druckdifferenz Δp_{v_max}/p₁₂ zwischen Verdichtungskammer 30 und Brennraum 10 beziehungsweise Einlassdruck p₁₂ in den Brennraum 10 gesorgt.

Nachfolgend findet der Ansaugtakt 1. statt, dessen Beginnzeitpunkt auf der jeweiligen Ordinatenachse der 3-1 bis 3-3 liegt, der mit LWOT als Ladungswechsel LWOT zwischen Ausschiebetakt 4. und Ansaugtakt 1. gekennzeichnet und verdeutlicht ist.
Das Auslassventil 13 wird geschlossen und das Einlassventil 12 wird geöffnet.
Das Volumen V_B des Brennraumes 10 ist minimal, vergleiche Kennlinie V_B in 3-1 zum Zeitpunkt LWOT, die das Volumen des Brennraumes 10 verdeutlicht.
Die Ventile 31 und 32 sind geschlossen, vergleiche Kennlinien V_h31 , V_h32 in 3-2 zum Zeitpunkt LWOT, die den Ventilhub V_h der Ventile 31 und 32 verdeutlichen.
Der Druck p_v der Verdichtungskammer 30 über der Zeit t zum Zeitpunkt LWOT ist gegenüber dem Einlassdruck p₁₂ im Einlassbereich des Einlassventils 12, vergleiche Kennlinie p₁₂ in 3-3, um die Druckdifferenz Δ_{v_max/}p₁₂ erhöht.
Während des Ansaugtaktes 1. öffnet das Ventil 32, vergleiche Kennlinie V_h32 in 3-2 zum nach dem Zeitpunkt LWOT, wie durch den Ventilhub V_h32 des Ventils 32 verdeutlicht wird.
Eine Verdichtungskammerfüllung der Verdichtungskammer 30 strömt durch den gegenüber dem Brennraum 10 höheren Druck Δp_{v_max} > p₁₂ in der Verdichtungskammer 30 über die Zündkammer 20 in den Brennraum 10, wodurch die schlagartige Restgasspülung der Zündkammer 20 bewirkt wird. Dabei findet nach dem Öffnen des Ventils 32 ein Druckausgleich zwischen Verdichtungskammer 30, Zündkammer 20 und Brennraum 10 statt.
Noch während des Ansaugtaktes 1. schließt das Ventil 32 wieder, vergleiche Kennlinie V_h32 in 3-2, wie durch den Ventilhub V_h32 des Ventils 32 verdeutlicht wird.
Anschließend öffnet das Ventil 31 gemäß dieser Ausführungsvariante, vergleiche Kennlinie V_h31 in 3-2, wie durch den Ventilhub V₃₁ des Ventils 31 verdeutlicht wird.
Der Zeitpunkt der Öffnung des Ventils 31 ist ebenfalls variabel vorgebbar.
Beispielsweise kann das Ventil 31 auch erst während des Verdichtungstaktes 2. oder des Expansionstaktes 3. geöffnet werden. Wichtig ist, dass das Ventil 32 bereits geschlossen sein muss, bevor das Ventil 31 öffnet. Das heißt, es könnte sogar ein Öffnen des Ventils 31 im Ausschiebetakt 4. erfolgen.
Die Öffnung des Ventils 31 beginnt in dieser Ausführungsvariante während des Ansaugtaktes 1. bei geöffnetem Einlassventil 12, so dass in vorteilhafter Weise eine Strömung im Einlasskanal und in dem mit dem Einlasskanal verbundenen Leitungsabschnitt L1 erzeugt wird.
Bei zuvor geschlossenem Ventil 32 wird der Verdichtungskammer 30 somit über den Einlassbereich Fluid F zugeführt.
Der Zeitpunkt, an dem das Ventil 31 öffnet, ist - wie erläutert - variabel vorgebbar.
Das Ventil 31 kann grundsätzlich auch während des Verdichtungstaktes 2. oder während des Expansionstaktes 3. oder im Ausschiebetakt 4. geöffnet werden, wobei das Ventil 32 stets geschlossen sein muss. Je nach vorgegebenem Öffnungszeitpunkt muss die Bewegung beziehungsweise die Position des Verdichtungskolbens 30 entsprechend zeitlich angepasst werden.
Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Ansaugtakt 1. und Verdichtungstakt 2.:

Nachdem die Füllung der Verdichtungskammer 30 gemäß dieser Ausführungsvariante bei minimalem Volumen V_v der Verdichtungskammer 30 schlagartig stattgefunden hat, vergleiche Kennlinie V_v in 3 zum Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Ansaugtakt 1. und Verdichtungstakt 2., bewegt sich der Kolben 11 zurück in Richtung des oberen Totpunktes, wonach der Zünd-OT wieder erreicht ist.

Das Einlassventil 12 wird wieder geschlossen und das Auslassventil 13 ist ebenfalls geschlossen.
Mit dem Beginn des Verdichtungstaktes 2. innerhalb des Brennraumes 10 wird gemäß dieser Ausführungsvariante zum Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Ansaugtakt 1. und Verdichtungstakt 2. auch der Kolben 30-1 der Verdichtungskammer 30 betätigt, wodurch das Fluid F zur Restgasspülung unter Volumenvergrößerung (vergleiche Kennlinie V_v in 3-1 zum Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Ansaugtakt 1. und Verdichtungstakt 2.) der Verdichtungskammer 30 in die Verdichtungskammer 30 gesaugt wird, wodurch deutlich wird, dass sich das Verdichtungskammervolumen der Verdichtungskammer 30 erhöht, da der Kolben 30-1 von seiner unteren Position 30-1" in seine ursprüngliche obere Position 30-1' bis zum Zeitpunkt Zünd-OT zurückbewegt wird.
Am Ende des Verdichtungstaktes 2. innerhalb des Brennraumes 10 wird gemäß dieser Ausführungsvariante das Ventil 31 wieder geschlossen, vergleiche Kennlinie V_h31 in 3-2, wie durch den Ventilhub V_h3, des Ventils 31 verdeutlicht wird, so dass die Ausgangslage des Restgasspülungssystems wieder hergestellt ist, bei dem die Ventile 31 und 32 und das Einlass- und Auslassventil 12, 13 geschlossen sind. Der Vorgang beginnt erneut.
Der Zeitpunkt, an dem das Ventil 31 geschlossen wird, ist variabel vorgebbar.
Das Ventil 31 kann in anderen Ausführungsvarianten grundsätzlich auch (anders als in 3-2 dargestellt) während des Expansionstaktes 3. oder während des Ausschiebetaktes 4. geschlossen werden, wobei das Schließen des Ventils 31 und die Druckerhöhung des Fluids F in der Verdichtungskammer 30 grundsätzlich abgeschlossen sein muss, bevor das Ventil 32 zur erfindungsgemäßen Restgasspülung geöffnet wird. Je nach Zeitpunkt muss die Bewegung beziehungsweise die Position des Verdichtungskolbens 30-1 entsprechend zeitlich angepasst werden.
Hinsichtlich der Art und Weise der Füllung der Verdichtungskammer 30 ist auch eine andere Vorgehensweise möglich.
Die Füllung der Verdichtungskammer 30 kann auch abweichend von der bisher erläuterten Ausführungsvariante bei maximalem Volumen V_v der Verdichtungskammer 30 oder einem dazwischen liegenden Volumen stattfinden.
Der Kolben 30-1 wird dazu bevorzugt bei minimalem Volumen V_v der Verdichtungskammer 30 noch bei geschlossenem oder bereits geöffnetem Einlassventil 31 (das Auslassventil 32 ist geschlossen) von seiner unteren Position 30-1'' in seine ursprüngliche obere Position 30-1' bewegt, wobei der Zeitpunkt, bis zu dem die obere Position 30.1' erreicht ist, nur beispielsweise gemäß der Ausführungsvariante der Zeitpunkt Zünd-OT sein kann.
Durch die Bewegung des Kolbens 30-1 von der unteren Position 30-1'' in seine obere Position 30-1' und Schließen des Ventiles 31 wird in der Verdichtungskammer 30 in vorteilhafter Weise ein Unterdruck erzeugt, der die schlagartige Füllung der Verdichtungskammer 30 unterstützt und den Füllungszyklus verkürzt.
Die 4 bis 4-3 zeigen in einer Zusammenschau eine zweite Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung, die als „aktive Restgasspülung im Ausschiebetakt” bezeichnet wird.
Die 4 zeigt ohne Veränderung gegenüber der 3 die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 100 für ein Otto- beziehungsweise Erdgas-Brennverfahren - mit der aktiven Restgasspülung im Ausschiebetakt - mit einem Brennraum 10, dem eine Zündkammer 20 zugeordnet ist, die eine Zündkerze 21 zum Zünden einer der Zündkammer 20 (auch Vorkammer genannt) zugeführten Zündkammerladung umfasst, wobei dem nachfolgend als Restgasspülsystem bezeichneten erfindungsgemäßen System eine Verdichtungskammer 30 als Zwischenspeicher zugeordnet ist, in dem die Spülladung zur Restgasspülung mittels einer Ventilanordnung 31, 32 zwischengespeichert und zu einem bestimmten Zeitpunkt (der nachfolgend erläutert wird) der Zündkammer 20 zugeführt wird.
Dadurch, dass sich das System zur aktiven Restgasspülung nicht ändert, wird auf eine nochmalige Erläuterung im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform verzichtet.
Verfahren zur Restgasspülung gemäß der zweiten Ausführungsform:
Zeitpunkt Zünd-OT:
Ausgangspunkt der weiteren Erläuterungen zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Restgasspülung ist der Zünd-OT (vergleiche 4-1 bis 4-3) zwischen Verdichtungs- und Expansionstakt 3. beziehungsweise Arbeitstakt.
Der Zünd-OT kennzeichnet die Kurbelwellenstellung der Brennkraftmaschine 100 des Verbrennungsmotors mit Fremdzündung (Ottomotor), bei der der Zündfunke an der Zündkerze 21 ausgelöst wird, wodurch die Verbrennung startet.
Einlass- und Auslassventil 12, 13 des Brennraumes 10 sind geschlossen.
Das Volumen V des Brennraumes 10 ist minimal, vergleiche Kennlinie V_B in 4-1 zum Zeitpunkt Zünd-OT, die das Volumen des Brennraumes 10 verdeutlicht.
Die Ventile 31 und 32 sind geschlossen, vergleiche Kennlinien V_h31 , V_h32 (in 4-2 zum Zeitpunkt Zünd-OT), die den Ventilhub V_h der Ventile 31 und 32 verdeutlichen.
Der Druck p_v der Verdichtungskammer 30 über der Zeit t zum Zeitpunkt Zünd-OT entspricht dem Einlassdruck p₁₂ im Einlassbereich des Einlassventils 12, vergleiche Kennlinie p₁₂ in 4-3.
Das Volumen V der Verdichtungskammer 30 über der Zeit t ist zum Zeitpunkt Zünd-OT maximal, vergleiche Kennlinie V_v in 4-1 zum Zeitpunkt Zünd-OT, die das Volumen der Verdichtungskammer 30 verdeutlicht, das heißt, der Verdichtungskolben 30-1 befindet sich in seiner oberen Position 30-1'.
Bei dieser Ausführungsvariante der zweiten Ausführungsform wird am Ende des Expansionstaktes 3. das Volumen V der Verdichtungskammer 30, vergleiche Kennlinie V_v , verringert, wie 4-1 verdeutlicht, das heißt, der Verdichtungskolben 30-1 wird noch innerhalb des Expansionstaktes 3. in seine untere Position 30-1'' gebracht, so dass (vergleiche 4-3) der maximale Verdichtungskammerdruck p_{v_max} erreicht wird, der - wie 4-3 explizit verdeutlicht - oberhalb des Einlassdrucks p₁₂ im Einlassbereich des Einlassventils 12 liegt. Es versteht sich, dass der Zeitpunkt, wann der Verdichtungskolben 30-1 den maximalen Verdichtungskammerdruck p_{v_max} erreicht hat, entsprechend vorgebbar ist.
Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Expansionstakt 3. und Ausschiebetakt 4.:

Mit anderen Worten, zum Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Expansionstakt 3. und Ausschiebetakt 4., vergleiche 4-3, wird durch die Kolbenbewegung des Kolbens 30-1 der Verdichtungskammer 30 für eine Druckdifferenz Δ_{v_max/}p₁₂ zwischen Verdichtungskammer 30 und Brennraum 10 beziehungsweise Einlassdruck p₁₂ in den Brennraum 10 gesorgt.

Nachfolgend findet der Ausschiebetakt 4. statt.
Bei dieser zweiten Ausführungsform öffnet das Ventil 32 während des Ausschiebetaktes 4., vergleiche Kennlinie V_h32 in 4-2, nach dem Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Expansionstakt 3. und Ausschiebetakt 4., wie durch den Ventilhub V_h32 des Ventils 32 verdeutlicht wird.
Dadurch wird analog zur ersten Ausführungsform bewirkt, dass die Verdichtungskammerfüllung der Verdichtungskammer 30 durch den gegenüber dem Brennraum 10 höheren Druck Δp_{v_max} > p13 in der Verdichtungskammer 30 über die Zündkammer 20 in den Brennraum 10 strömt, wodurch die schlagartige Restgasspülung der Zündkammer 20 bewirkt wird. Dabei findet nach dem Öffnen des Ventils 32 ein Druckausgleich zwischen Verdichtungskammer 30, Zündkammer 20 und dem Brennraum 10 statt.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform wird die Verdichtungskammer 30 jetzt den Druck p13 annehmen, der im Auslassbereich des Auslassventiles 13 herrscht.
Der Druck p13 im Auslassbereich des Auslassventiles 13 ist gemäß der erläuterten Ausführungsvariante größer als der Einlassdruck p₁₂ im Einlassbereich des Einlassventils 12, vergleiche Kennlinie p₁₂ in 4-3.
Das Ventil 32 wird während des Ausschiebetaktes 4., vergleiche Kennlinie V_h32 in 4-2, nach dem Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Expansionstakt 3. und Ausschiebetakt 4. wieder geschlossen.
Zeitpunkt LWOT:

Mit anderen Worten, zum Zeitpunkt des Ladungswechsels LWOT am Ende des Ausschiebetaktes 4. zwischen Ausschiebetakt 4. und Ansaugtakt 1., vergleiche 4-3, wurde bereits mittels der Druckdifferenz Δp_{v_max}/p₁₃ zwischen Verdichtungskammer 30 und Brennraum 10 beziehungsweise Auslassdruck p13 für die Restgasspülung der Zündkammer 20 gesorgt. In der Verdichtungskammer 30 herrscht jetzt der Druck p13 durch den Druckausgleich mit dem Auslassbereich des Auslassventiles 13 über die Brennkammer 10.

Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Ansaugtakt 1. und Verdichtungstakt 2.:

In der zweiten Ausführungsform öffnet jetzt das Ventil 31 vor dem Kolben-UT zwischen Ansaugtakt 1. und Verdichtungstakt 2., vergleiche Kennlinie V_h31 in 4-2, wie durch den Ventilhub V_h31 des Ventils 31 verdeutlicht wird.

Die Öffnung des Ventils 31 beginnt während des Ansaugtaktes 1. bei zuvor zum Zeitpunkt LWOT geöffnetem Einlassventil 12, so dass eine saugende Strömung im Einlasskanal und in dem mit dem Einlasskanal verbundenen Leitungsabschnitt L1 erzeugt wird, so dass bei geschlossenem Ventil 32 ein Druckausgleich Δp₁₃ > p₁₂ des Fluids F durch die Druckdifferenz Δp₁₃/p₁₂ in der Verdichtungskammer 30 zwischen dem noch in der Verdichtungskammer 30 herrschenden Druck p13 und dem im Einlassbereich des Einlassventils 12 herrschenden Druck p₁₂ stattfindet, da jetzt das Ventil 31 geöffnet hat.
Mit anderen Worten, die Öffnung des Ventils 31 beginnt analog zu der ersten Ausführungsform (vergleiche 3-2 und 4-2) während des Ansaugtaktes 1. bei geöffnetem Einlassventil 12, so dass eine saugende Strömung im Einlasskanal und in dem mit dem Einlasskanal verbundenen Leitungsabschnitt L1 erzeugt wird, so dass sich die bei zuvor geöffnetem Ventil 32 druckausgeglichene Verdichtungskammer 30 mit dem jeweils über den Einlassbereich zugeführten Fluid F füllt.
Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Ansaugtakt 1. und Verdichtungstakt 2.:

Nachdem die Füllung der Verdichtungskammer 30 bei minimalem Volumen V der Verdichtungskammer 30 schlagartig stattgefunden hat, vergleiche Kennlinie V_v in 3 zum Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Ansaugtakt 1. und Verdichtungstakt 2., bewegt sich der Kolben 11 zurück in Richtung des oberen Totpunktes, wonach der Zünd-OT wieder erreicht ist.

Das Einlassventil 12 wird wieder geschlossen und das Auslassventil 13 ist ebenfalls geschlossen.
Mit dem Beginn des Verdichtungstaktes 2. innerhalb des Brennraumes 10 zum Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Ansaugtakt 1. und Verdichtungstakt 2. wird auch der Kolben 30-1 der Verdichtungskammer 30 betätigt, wodurch das Fluid F zur Restgasspülung unter Volumenvergrößerung (vergleiche Kennlinie V_v in 4-1 zum Zeitpunkt Kolben-UT zwischen Ansaugtakt 1. und Verdichtungstakt 2.) der Verdichtungskammer 30 in die Verdichtungskammer 30 gesaugt wird, wodurch deutlich wird, dass sich das Verdichtungskammervolumen der Verdichtungskammer 30 erhöht, da der Kolben 30-1 von seiner unteren Position 30-1" mit minimalem Volumen in der Verdichtungskammer 30 in seine obere Position 30-1' mit maximalem Volumen in der Verdichtungskammer 30 bis zum Zeitpunkt Zünd-OT zurückbewegt wird.
Am Ende des Verdichtungstaktes innerhalb des Brennraumes 10 wird das Ventil 31 wieder geschlossen, vergleiche Kennlinie V_h31 in 3-2, wie durch den Ventilhub V_h31 des Ventils 31 verdeutlicht wird, so dass die Ausgangslage des Restgasspülungssystems wieder hergestellt ist, bei dem die Ventile 31 und 32 und das Einlass- und Auslassventil 12, 13 geschlossen sind. Der Vorgang beginnt erneut.
Der Zeitpunkt, an dem das Ventil 31 geschlossen wird, ist analog zu der ersten Ausführungsform variabel vorgebbar.
Das Ventil 31 kann in anderen Ausführungsvarianten grundsätzlich auch (anders als in 4-2 dargestellt) während des Ansaugtaktes 1. oder während des Verdichtungstaktes 2. oder während des Expansionstaktes 3. oder sogar noch während des Ausschiebetaktes 4. geschlossen werden, wobei das Schließen des Ventils 31 und die Druckerhöhung des Fluids F in der Verdichtungskammer 30, das heißt die Erzeugung der Spülladung, grundsätzlich abgeschlossen sein muss, bevor das Ventil 32 zur erfindungsgemäßen Restgasspülung gemäß der zweiten Ausführungsform im Ausschiebetakt 4. geöffnet wird. Je nach Zeitpunkt muss die Bewegung beziehungsweise die Position des Verdichtungskolbens 30-1 entsprechend zeitlich angepasst werden.
Hinsichtlich der Art und Weise der Füllung der Verdichtungskammer 30 ist analog zu den Ausführungsvarianten der ersten Ausführungsform auch eine andere Vorgehensweise möglich.
Die Füllung der Verdichtungskammer 30 kann analog zu der Art und Weise der Füllung gemäß der ersten Ausführungsform auch abweichend von der bisher erläuterten Ausführungsvariante bei maximalem Volumen V_v der Verdichtungskammer 30 oder einem dazwischen liegenden Volumen stattfinden.
Der Kolben 30-1 wird dazu bevorzugt bei minimalen Volumen V_v der Verdichtungskammer 30 noch bei geschlossenem oder bereits geöffnetem Einlassventil 31 (das Auslassventil 32 ist geschlossen) von seiner unteren Position 30-1'' in seine ursprüngliche obere Position 30-1' bewegt werden.
Durch die Bewegung des Kolbens 30-1 von der unteren Position 30-1'' in seine obere Position 30-1' und Schließen des Ventiles 31 wird in der Verdichtungskammer 30 in vorteilhafter Weise ein Unterdruck erzeugt, der die schlagartige Füllung der Verdichtungskammer 30 unterstützt und den Füllungszyklus verkürzt.
Die 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des der Zündkammer 20 zugeordneten Systems zur aktiven Restgasspülung, das sowohl zur Durchführung des Verfahrens nach der ersten oder zweiten Ausführungsform einsetzbar ist.
Wie bereits ausgeführt, umfasst das System, vergleiche 5, die Verdichtungskammer 30 mit dem Verdichtungskolben 30-1 (dargestellt in der Position 30-1') als Zwischenspeicher, in der die Spülladung mittels einer Ventilanordnung 31, 32 zwischengespeichert und zu einem bestimmten Zeitpunkt der Zündkammer 20 zugeführt wird. Die Ventile 31, 32 sind beide schematisch in der Offenposition dargestellt. Sie befinden sich im Gebrauch zumeist in der Schließposition, wobei eines der beiden Ventile 31, 32 zu den zuvor beschriebenen Zeitpunkten gemäß der jeweiligen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens geöffnet wird und somit die dargestellte Offenposition einnimmt. Vorgeschlagen wird in der ersten Ausführungsvariante eine Nockensteuerung mit Nocken 52, 51, 53 auf einer Nockenwelle 50.
Die Nocken 52 und 53 sind den Ventilen 31 und 32 zugeordnet, während dem Verdichtungskolben 30-1 der Nocken 51 zugeordnet ist. Die Nocken 52 und 53 öffnen die Ventile 31 und 32 gegen in der Ausführungsvariante angeordnete Federelemente 52-1, 53-1, die dadurch gespannt werden, wobei die dadurch erzeugte Rückstellkraft für eine Rückstellung der Ventile 31 und 32 sorgt. Der symbolisch dargestellte Nocken 51 verlagert den Verdichtungskolben 30-1 innerhalb der Verdichtungskammer 30 gegen die Kraft eines Federelementes 51-1 entsprechend von der Position 30-1' in die Position 30-1'' (nicht dargestellt) zu den jeweiligen Zeitpunkten, die in der Beschreibung der beiden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Restgasspülung detailliert erläutert sind. Die Rückstellung des Nockens 51 erfolgt analog zu den Nocken 52, 53 über die Rückstellkraft des Federelementes 51-1.
Die 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des der Zündkammer 20 zugeordneten Systems zur aktiven Restgasspülung, welches ebenfalls zur Durchführung des Verfahrens nach der ersten oder zweiten Ausführungsform einsetzbar ist. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsvariante werden Servoventile eingesetzt, so dass in dieser Ausführungsvariante keine Nockensteuerung, sondern eine Servosteuerung eingesetzt wird, welche den Verdichtungskolben 30-1 und die Ventile 31 und 32 analog zur der vorhergehenden Ausführungsvariante ansteuert. Bei dieser Ausführungsvariante ist im Unterschied zu der ersten Ausführungsvariante sowohl die erste und als auch die zweite Position 30-1', 30-1'' des Verdichtungskolbens 30-1 dargestellt.
Ergänzend wird hinsichtlich des Fluids, welches zur Restgasspülung über das Einlassventil zugeführt wird, in einer Ausgestaltungsvariante bei Direkteinspritzung, wenn Kraftstoff mittels einer Einspritzdüse direkt in den Brennraum 10 eingespritzt wird, insbesondere Luft oder ein Luft/Abgas-Gemisch zugeführt und zur Restgasspülung verwendet.
In einer anderen Ausgestaltungsvariante mit äußerer Gemischbildung, wenn insbesondere das Verfahren der Saugrohreinspritzung eingesetzt wird, kommt zur Restgasspülung ein Kraftstoff/Luft-Gemisch zum Einsatz. Insbesondere in einer durch eine Zündkammer 20 gezündeten Zündkammerladung könnte die Restgasspülung genutzt werden, um der Zündkammer eine stöchiometrische Mischung aus Kraftstoff und Luft zuzuführen.
Kommt eine Abgasrückführung innerhalb des ottomotorischen Brennverfahrens zum Einsatz, kann auch ein Kraftstoff/Luft/Abgas-Gemisch im Einlassbereich anliegen, welches in einer dritten Ausgestaltungsvariante zur Restgasspülung verwendet wird.
Abschließend wird noch ergänzt, dass das Verfahren (in beiden Ausführungsformen) und das System zur Restgasspülung für „aktiv versorgte“ und „passiv versorgte“ Zündkammern 20 (als Zündkammern) eines Brennraumes 10 einer ottomotorischen Brennkraftmaschine 100 gleichermaßen einsetzbar ist.
Vor der Restgasspülung ist die Zündkammer 20 mit einer zündfähigen Zündkammerfüllung gefüllt und die Zündkammerfüllung wird gezündet und verbrannt.
Bei der „passiv versorgten“ Zündkammer 20 wird die Zündkammerfüllung (Kraftstoff/LuftGemisch oder Kraftstoff/Luft/Abgas-Gemisch) über den Brennraum 10 insbesondere beim Kompressionstakt zugeführt (nicht dargestellt).
Bei der „aktiven“ Versorgung der Zündkammer 20 ist eine separate Vorrichtung (nicht dargestellt) zugeordnet, mittels der die Zündkammerfüllung (Kraftstoff oder Kraftstoff/LuftGemisch oder Kraftstoff/Luft/Abgas-Gemisch) zugeführt wird.
Bezugszeichenliste

100: Brennkraftmaschine
10: Brennraum
11: Kolben
12: Einlassventil
13: Auslassventil
14: Saugrohr
20: Zündkammer
21: Zündkerze
22: Zwischenspeicher
23: Steuerventil
30: Verdichtungskammer
30-1: Verdichtungskolben
30-1': Verdichtungskolben obere Position
30-1'': Verdichtungskolben untere Position Verdichtungskammer
31, 32: Ventilanordnung
31: erstes Ventil
32: zweites Ventil
Vh: Ventilhub
Vh31, Vh32: Ventilhub der Ventile 31, 32
VB: Volumen V des Brennraumes 10
Vv: Volumen einer Verdichtungskammer 30
t: Zeit
pv: Verdichtungskammerdruck
Pv_max: maximaler Verdichtungskammerdruck
p12: Einlassdruck vor dem Einlassventil 12
p13: Auslassdruck
L1, L2: Spülleitung
L1: erster Leitungsabschnitt
L2: zweiter Leitungsabschnitt
Δv_max/p12: maximale Druckdifferenz
Δpv_max/p13: maximale Druckdifferenz
Δp13/p12: Druckdifferenz
1.: Ansaugtakt
2.: Verdichtungstakt
3.: Expansionstakt (Arbeitstakt)
4.: Ausschiebetakt
ZOT: Zündzeitpunkt oberer Totpunkt des Kolbens 11
LWOT: Ladungswechsel oberer Totpunkt des Kolbens 11
UT: unterer Totpunkt des Kolbens 11
50: Nockenwelle
51: Nocken
52: Nocken
53: Nocken
51-1: Rückstellelement
52-1: Rückstellelement
53-1: Rückstellelement
61: Servoventil
62: Servoventil
63: Servoventil
F: Fluid im Einlassbereich (Luft oder Luft/Abgas-Gemisch oder Kraftstoff/Luft-Gemisch oder Kraftstoff/Luft/Abgas-Gemisch)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005017186 A1 [0003, 0004]

Claims

Verfahren zur Entfernung eines Restgases aus einer Zündkammer (20) einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (100), die wenigstens einen Brennraum (10) und eine dem Brennraum (10) zugeordnete, mit einer Zündeinrichtung (21) versehene Zündkammer (20) zum Zünden einer in der Zündkammer (20) vorhandenen Zündkammerladung eines restgasfreien zündfähigen Fluids (F) zu einem Zündzeitpunkt umfasst, wobei das Restgas einer in der Zündkammer (20) gezündeten Zündkammerladung vor dem Zündzeitpunkt mit einer Spülladung eines Fluids (F) aus der Zündkammer (20) gespült wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülladung in einem der Brennkraftmaschine (100) zugeordneten Restgasspülsystem (30, 31, 32) vorgehalten und auf einen vorgebbaren Druck (p_v) verdichtet wird, der in einem Ansaugtakt (1.) oder einem Ausschiebetakt (4.) der Brennkraftmaschine (100) größer ist als derjenige Druck (p₁₂, p₁₃), der in dem mit der Zündkammer (20) druckseitig in Verbindung stehenden Brennraum (10) anliegt, so dass eine Restgasspülung im Ansaugtakt (1.) oder im Ausschiebetakt (4.) durch ein Druckgefälle (Δp_{v_max}/p₁₂; Δp_{v_max}/p₁₃) zwischen dem Restgasspülsystem und dem Brennraum (10) durchgeführt wird, so dass die Spülladung durch das Druckgefälle (Δp_{v_max}/p₁₂; Δp_{v_max}/p₁₃) zu einem vorgebbaren Zeitpunkt innerhalb des Ansaugtaktes (1.) oder innerhalb des Ausschiebetaktes (4.) über die Zündkammer (20) in den Brennraum (10) strömt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülladung zur Restgasspülung einem Einlassbereich des Brennraumes (10) stromauf eines Einlassventiles (12) des Brennraumes (10) entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülladung zur Restgasspülung in einer Verdichtungskammer (30) vor dem vorgegebenen Spülzeitpunkt, an dem die Restgasspülung beginnt, auf den vorgebbaren Druck (Δp_v) verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Restgasspülung im Ansaugtakt (1.) vorgenommen wird, wobei eine Ladung des Fluids zur Erzeugung der Spülladung in die Verdichtungskammer (30) noch während des Ansaugtaktes (1.) eines Arbeitsspieles, jedoch nach der im selben Ansaugtakt (1.) vorhergehenden Restgasspülung, oder in einem der nachfolgenden Takte (2., 3., 4.) des Arbeitsspieles beginnt und abgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (F) in die nur einlassseitig geöffnete Verdichtungskammer (30) strömt, während sich das Einlassventil (12) des Brennraumes (10) in einer Offenposition oder in einer Schließposition befindet, so dass das Fluid (F) während des jeweiligen Taktes (1., 2., 3., 4.) einlassseitig in die Verdichtungskammer (30) gedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Verdichtungskammer (30) bei einlassseitig geöffneter Verdichtungskammer (30) vergrößert wird, während das Fluid (F) einströmt, oder bei einlassseitig geschlossener Verdichtungskammer (30) vergrößert wird, bevor das Fluid (F) in die Verdichtungskammer (30) einströmt, wodurch das Fluid (F) jeweils in die Verdichtungskammer (30) gesaugt wird, sobald die Verdichtungskammer (30) einlassseitig geöffnet ist, wobei die Verdichtungskammer (30) anschließend, nachdem das Fluid (F) eingeströmt ist, einlassseitig geschlossen wird, wonach das Volumen der Verdichtungskammer (30) wieder verringert und die Spülladung in der Verdichtungskammer (30) rechtzeitig vor dem vorgegebenen Spülzeitpunkt auf den vorgebbaren Druck (Δp_v) verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Restgasspülung zu dem vorgegebenen Spülzeitpunkt in jedem Ansaugtakt (1.) eines Arbeitsspiels mittels der in der Verdichtungskammer (30) verdichteten Spülladung vorgenommen wird, indem die Verdichtungskammer (30) in jedem Ansaugtakt (1.) ausschließlich auslassseitig in Richtung der Zündkammer (20) geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Restgasspülung im Ausschiebetakt (4.) vorgenommen wird, wobei eine Ladung des Fluids zur Erzeugung der Spülladung in die Verdichtungskammer (30) während des Ausschiebetaktes (4.) des gleichen Arbeitsspieles, jedoch vor der im Ausschiebetakt (4.) vorgenommenen Restgasspülung, oder in einem der vorhergehenden Takte (1., 2., 3.) des Arbeitsspieles beginnt und abgeschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Restgasspülung zu dem vorgegebenen Spülzeitpunkt in jedem Ausschiebetakt (4.) eines Arbeitsspiels mittels der in der Verdichtungskammer (30) verdichteten Spülladung vorgenommen wird, indem die Verdichtungskammer (30) in jedem Ausschiebetakt (4.) ausschließlich auslassseitig in Richtung der Zündkammer (20) geöffnet wird.
System zur Entfernung eines Restgases aus einer Zündkammer (20) einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (100), welches mindestens einen Brennraum (10) und die dem Brennraum (10) zugeordnete, mit einer Zündeinrichtung (21) versehene Zündkammer (20) zum Zünden einer in der Zündkammer (20) vorhandenen Zündkammerladung eines restgasfreien zündfähigen Fluids (F) umfasst, wobei das Restgas der in der Zündkammer (20) gezündeten Zündkammerladung vor dem Zündzeitpunkt mit einer Spülladung eines Fluids (F) aus der Zündkammer (20) gespült wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülladung in einem der Brennkraftmaschine (100) zugeordneten Restgasspülsystem (30, 31, 32) vorgehalten wird, welches mindestens eine Verdichtungskammer (30) und der Verdichtungskammer (30) zugeordnete Ventile (31, 32) umfasst, die stromab und stromauf der Verdichtungskammer (30) angeordnet sind, wobei ein erstes Ventil (31) stromauf der Verdichtungskammer fluidseitig mit einem Einlassbereich des Brennraumes (10) der Brennkraftmaschine (100) und ein zweites Ventil (32) fluidseitig stromab der Verdichtungskammer (30) mit der Zündkammer (20) in Verbindung steht.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verdichtungskammer (30) ein beweglicher Verdichtungskolben (30-1) angeordnet ist, dessen Bewegung in der Verdichtungskammer (30) für eine Erhöhung und eine Reduzierung des Volumens der Verdichtungskammer (30) sorgt, so dass eine Ladung als Spülladung bei geschlossenen Ventilen (31, 32) auf einen vorgebbaren Druck (p_v) verdichtet und in der Verdichtungskammer (30) vorgehalten ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungskammer (30) und die Ventile (31, 32) gemeinsam in einer zum System gehörenden Leitung (L1, L2) angeordnet sind, die stromauf der Verdichtungskammer (30) fluidseitig mit dem Einlassbereich des Brennraumes (10) der Brennkraftmaschine (100) und fluidseitig stromab der Verdichtungskammer (30) mit der Zündkammer (20) in Verbindung steht.
System nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Nockensteuerung oder eine Servosteuerung umfasst, wobei der Verdichtungskolben (30-1) der Verdichtungskammer (30) und die Ventile (31, 32) über Nocken (51, 52, 53) auf einer Nockenwelle (50) oder über Servoventile (61, 62, 63) betätigt werden.