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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verbrennungsmotorsystem.
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Aus dem Stand der Technik sind Vorkammerzündungen für Verbrennungsmotoren, insbesondere für stationäre Verbrennungsmotoren bekannt. Vereinzelt sind auch Vorkammerzündungen für (Otto-)Fahrzeugmotoren beschrieben. Die Vorkammerzündung ist prinzipiell aus einem vom Brennraum eines Verbrennungsmotors abgetrennten Volumen gebildet, das mit diesem über mindesten einen Kanal, bevorzugt jedoch mehrere Kanäle verbunden ist. Innerhalb der Vorkammer befindet sich eine Vorrichtung zur Zündung des enthaltenen Kraftstoff-Luft-Gemischs. In der Regel wir hierzu eine Zündkerze verwendet, die einen elektrischen Funken erzeugt.
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Zum Beginn des Motorzyklus, am oberen Totpunkt vor dem Ansaugvorgang, sind die Vorkammer sowie der Brennraum mit verbranntem Gas gefüllt. Im darauffolgenden Ansaugvorgang wird frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch, oder reine Luft bei innerer Gemischbildung, durch die Einlassventile in den Brennraum gesaugt. Dabei kann sich das angesaugte Gas mit dem verbrannten Gas (Restgas) in der Vorkammer mischen. Zum Ende des Ansaugvorgangs am unteren Totpunkt ist die Vorkammer in der Regel noch zu einem erheblichen Teil mit Restgas gefüllt und der Brennraum mit Kraftstoff-Luft-Gemisch oder reiner Luft. Die folgende (Aufwärts-) Bewegung des Kolbens bei geschlossenen Ein- sowie Auslassventilen bewirkt eine Verringerung des Zylindervolumens und daher eine Druckerhöhung im Zylinder bzw. Brennraum.
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Da die Vorkammer mit dem Brennraum verbunden ist, strömt ein Teil der Brennraumladung durch die Verbindungskanäle in die Vorkammer um die entstehende Druckdifferenz auszugleichen. Dadurch sinkt der Restgasanteil in der Vorkammer und es steigt der Anteil frischen Kraftstoff-Luft Gemischs.
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Zum Zeitpunkt der Zündung, ca. 30° vor dem oberen Totpunkt, herrscht im Brennraum und der Vorkammer ein Druck zwischen 10 und 50 bar, bspw. von ca. 20 bar und die Vorkammer hat in der Regel einen höheren Restgasgehalt als der Brennraum. Durch die Zündung in der Vorkammer erwärmt sich das Gas stark und dehnt sich dabei aus, wodurch der Druck in der Vorkammer ansteigt. Übersteigt dieser den Druck im Brennraum, kehrt sich der Gasstrom durch die Kanäle zwischen Brennraum und Vorkammer um und das verbrannte Gemisch aus der Vorkammer strömt mit hoher Geschwindigkeit in den Brennraum. Dieser Vorgang dauert an, bis der Vorkammerdruck auf oder unter den, durch die Bewegung des Kolbens (und optional auch durch die Verbrennung) immer noch steigenden Brennraumdruck gefallen ist. Die reaktiven und heißen Gase aus der Vorkammer entfachen dabei die Verbrennung im Brennraum wodurch Temperatur und Druck stark ansteigen.
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In
DE 10 2016 219 875 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem im Fall eines mageren Gemischs im Brennraum (A>1,4) zur Anreicherung des Gemischs in der Vorkammer ein Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch verwendet wird. Dieses Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch wird in einer Ausführung als solches, d. h. ohne weitere Anreicherung mit Kraftstoff aus dem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs entnommen. Der typischerweise verwendete Ottokraftstoff besteht zu einem Anteil von ca. 20 Gew.-% aus leichtsiedenden C4- und C5-Komponenten, die bereits bei Raumtemperatur einen Dampfdruck von ca. 40 kPa besitzen. Daher sättigt sich die Gasatmosphäre über dem Flüssigkeitsspiegel im Kraftstofftank zu ca. 60 Gew.-% mit diesen leichtsiedenden Komponenten, die sich zum Großteil aus n-Butan, i-Butan, n-Pentan, i-Pentan zusammensetzen (Na, Kwangsam, Yong P. Kim, II Moon, and Kil-Choo Moon. „Chemical composition of major VOC emission sources in the Seoul atmosphere.“ Chemosphere 55, no. 4 (2004): 585-594).
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Insbesondere wird dabei dieses Gasgemisch aus leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten und Luft aus dem Tank entnommen, mit einem Verdichter auf einen geeigneten Druck komprimiert und durch je ein Ventil pro Vorkammer dosiert in die Vorkammer geleitet. Optional wird ein geeigneter Sensor in der Leitung vorgeschlagen, um die Konzentration der Kraftstoffkomponenten im Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch zu ermitteln und diesen Wert für die Berechnung der exakten Dosierung der benötigten Kraftstoffmasse in die Vorkammer zu verwenden.
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Bei der Verdichtung des aus dem Tank abgesaugten Gasgemischs kann es durch Überschreiten des Dampfdrucks der Kraftstoffkomponenten zur Kondensation ebendieser kommen. Begünstigt wird dies durch einen Kraftstoff mit hohem Dampfdruck (z.B. wird üblicherweise im Winter ein Kraftstoff mit höherem Dampfdruck verwendet) und hohen Temperaturen im Kraftstofftank, da sich dabei eine hohe Konzentration der Kraftstoffkomponenten in der Tankatmosphäre einstellt. Ebenso tritt eine Kondensation bevorzugt bei niederen Temperaturen im Leitungssystem nach dem Verdichter auf, da dabei der Dampfdruck der Kraftstoffkomponenten im Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch absinkt.
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Aus
DE 24 10 803 A1 ist eine mit Ladungsschichtung betriebene, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem Hauptbrennraum und einer über einen Verbindungskanal mit dem Hauptbrennraum in Verbindung stehenden Vorkammer, der eine Kraftstoff-Zuführvorrichtung und eine Zündvorrichtung zur Zündung eines gegenüber der Hauptbrennladung reicheren, zündfähigen Kraftstoff-Luftgemisches zugeordnet sind.
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US 2005/0011501 A1 offenbart ein Mehrphasen-Kraftstoffsystem für einen Verbrennungsmotor zur Verfügung. Genauer gesagt, wenn das Mehrphasen-Kraftstoffsystem an einem Fahrzeug angewendet wird, werden die Kraftstoffkomponenten mit höherer Flüchtigkeit (niedrigere Siedetemperatur) dem Motor in einer verdampften gasförmigen Form zugeführt, während die Kraftstoffkomponenten mit niedrigerer Flüchtigkeit (höhere Siedetemperatur) dem Motor in einer zerstäubten flüssigen Form zugeführt werden. Auf diese Weise ist das Mehrphasen-Kraftstoffsystem in der Lage, ein optimaleres mageres Luft/Kraftstoff-Gemisch für eine bessere Kraftstoffeinsparung und Emissionskontrolle während normaler Betriebsbedingungen bereitzustellen, während es in der Lage ist, das Kraftstoffgemisch als Reaktion auf plötzliche Erhöhungen des Lastbedarfs schnell anzureichern.
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In
DE 32 06 839 A1 ist eine Vorrichtung zur Wiedervergasung des im Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors niedergeschlagenen Kraftstoffes, insbesondere bei Kaltstart, beschrieben. Bei dieser ist im Saugrohr ein ringförmiger poröser Körper, vorzugsweise aus polykristallinen Metallwhiskers, vorgesehen, der vorzugsweise mit Hochfrequenzstrom beheizbar ist und der an der Innenwand des Saugrohres herablaufenden Kraftstoff aufnimmt und verdampft wieder an den Ansaugstrom abgibt. Die Beheizung des porösen Ringkörpers kann automatisch durch das Anlassen des Motors für eine für das Warmlaufen des Motors notwendige Zeit und/oder von einem Sensor gesteuert werden, der in Strömungsrichtung vor dem porösen Ringkörper angeordnet ist und das an der Saugrohrinnenwand herabrinnende Kraftstoffkondensat registriert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorkammerzündung für einen Verbrennungsmotor zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Des Weiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie auch durch ein Verbrennungsmotorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb eines Verbrennungsmotorsystems. Insbesondere dient das Verfahren zur Erzeugung eines stabilen Kraftstoff-Luft-Gemischs für den Verbrennungsmotor des Verbrennungsmotorsystems, bei dem es sich vorzugsweise um einen Otto-Fahrzeugmotor handelt.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, insbesondere ein Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch, bereitgestellt. Vorzugsweise enthält dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch Umgebungsluft und leichtsiedende (auch: leichtflüchtige) Kraftstoffkomponenten des Kraftstoffs. Diese leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten stellen dabei insbesondere den Kraftstoffdampf des Kraftstoffdampf-Luft-Gemischs dar. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird einer Vorkammer des Verbrennungsmotors bei einem gegenüber Umgebungsdruck erhöhten Systemdruckwert zugeführt. Außerdem wird mittels wenigstens einer Maßnahme der Kondensationspunkt des Kraftstoff-Luft-Gemischs zumindest im Bereich der Grenzschicht zu einer Wandung einer Zuleitung zur Vorkammer gegenüber wenigstens einem Wert wenigstens einer Umgebungsbedingung erhöht, um eine Kondensation von den im Kraftstoff-Luft-Gemisch enthaltenen Kraftstoffkomponenten an der Wandung der Zuleitung zur Vorkammer während oder nach der Druckbeaufschlagung (auf den erhöhten Systemdruckwert) zu vermeiden.
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Der Begriff „stabil“ im Zusammenhang mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch wird hier und im Folgenden also insbesondere dahingehend verstanden, dass das Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch von der Bereitstellung bis zur Einleitung in die entsprechende Vorkammer vorzugsweise nicht oder lediglich vernachlässigbaren Änderungen durch unerwünschte oder unkontrollierte Umgebungseinflüsse - insbesondere einer Abreicherung durch Kondensation von Kraftstoffkomponenten - unterworfen ist.
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Der Begriff „Kondensationspunkt“ bezeichnet hier und im Folgenden insbesondere die zumindest durch Druck und Temperatur beschriebene Bedingung zu der ein gasförmiges Medium kondensiert.
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Aufgrund der Erfindung ist es also möglich, das Kraftstoff-Luft-Gemisch (insbesondere das Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch) - zumindest nahezu - so wie bereitgestellt in die Vorkammer einzuleiten, insbesondere also die Kondensation der Kraftstoffkomponenten im Kraftstoff-Zuführungssystem einer gespülten Vorkammerzündung zu vermeiden (oder zumindest zu verringern). Dadurch wird vorteilhafterweise eine präzise Steuerung oder Regelung des Verbrennungsprozesses, insbesondere auch im Hinblick auf die aufgrund der Vorkammerzündung ermöglichte magere und damit Kraftstoff-sparende Verbrennung, ermöglicht.
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In einer besonders zweckmäßigen Verfahrensvariante wird als Maßnahme die Zuleitung zur Vorkammer, insbesondere wenigstens der zwischen einer Verdichterstufe (vorzugsweise ein Verdichter, bspw. ein Axialverdichter oder ein Kolbenverdichter) und der Vorkammer liegende Abschnitt dieser Zuleitung erwärmt. Dadurch wird der Kondensationspunkt des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu einem höheren Wert verschoben, konkret der Dampfdruck der Kraftstoffkomponenten über den (insbesondere von der Verdichterstufe aufgebrachten) Systemdruck (-Wert) erhöht. D. h. der zur Kondensation erforderliche Druck steigt insbesondere in der Grenzschicht zu der Wandung der Zuleitung, da diese und somit die Grenzschicht des Kraftstoff-Luft-Gemisch wärmer ist. Optional werden zusätzlich auch die zur Druckbeaufschlagung auf den Systemdruckwert dienende Verdichterstufe und/oder von der Zuleitung umfasste Ventile erwärmt.
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Die Erwärmung erfolgt dabei bevorzugt mittels einer Heizung, die wirderum elektrisch oder unter Nutzung anderer Wärmequellen betrieben ist, z. B. mittels einer Umspülung der Zuleitung mit dem (erhitzten) Motorkühlmittel des Verbrennungsmotors oder einer anderweitigen Übertragung der Motorabwärme. Bspw. wird dabei das Motorkühlmittel durch eine die Zuleitung umgebende (Heiz-) Manschette oder ähnliches geleitet.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung wird die vorstehend beschriebene Erwärmung der Zuleitung (sowie gegebenenfalls der Verdichterstufe bzw. der Ventile) in Abhängigkeit von der Temperatur (insbesondere eines aktuellen Temperaturwerts) der Zuleitung bzw. der Verdichterstufe, des Kraftstoff-Luft-Gemischs, eines den Kraftstoff beinhaltenden Kraftstofftanks und/oder der Umgebung gesteuert oder geregelt. Bei der Umgebungstemperatur handelt es sich vorzugsweise um die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs, in dem der Verbrennungsmotor zum Einsatz kommt, oder um die im Motorraum (also der direkten Umgebung des Verbrennungsmotors) vorliegende Temperatur. Wenigstens einen der vorstehenden Temperaturwerte als Einflussgröße beim Steuern oder Regeln der Erwärmung zu nutzen, ermöglicht dabei eine vergleichsweise präzise Steuerung bzw. Regelung sowie insbesondere auch eine Steigerung der Effizienz, da bei einem hohen Umgebungstemperaturwert bspw. eine geringere Erwärmung ausreichend ist.
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Zusätzlich oder alternativ erfolgt die Erwärmung der Zuleitung bzw. der Verdichterstufe abhängig von der Konzentration der Kraftstoffkomponenten des geförderten Kraftstoff-Luft-Gemischs.
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Um die Kondensation der Kraftstoffkomponenten im Kraftstoff-Zuführungssystem der gespülten Vorkammer(-zündung) - d. h. in der Zuleitung - zu vermeiden, wird in einer erfindungsgemäßen Verfahrensvariante die Konzentration der Kraftstoffkomponenten im geförderten Kraftstoff-Luft-Gemisch (insbesondere gezielt auf einen Wert) eingestellt, so dass auch nach erfolgter Verdichtung (d. h. nach der Druckbeaufschlagung) auf den gewünschten Systemdruck (-Wert) (sowie insbesondere bei den vorherrschenden Temperaturen) keine Kondensation auftritt. Diese Einstellung der Konzentration erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Temperatur der Zuleitung (bzw. der Zuleitung und der Verdichterstufe), des Kraftstoff-Luft-Gemischs, des Kraftstofftanks und/oder der Umgebung sowie des Systemdruckwerts, den das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Zuleitung aufweist. Insbesondere erfolgt hierzu eine Absenkung der Konzentration, die z.B. durch Beimischen von Luft auf der Ansaugseite des Verdichters. Bei dieser Luft handelt es sich bspw. um Umgebungsluft, Luft aus einem Ladeluftstrang oder dergleichen. Optional kann die Luft zur Beimischung auch an anderer Stelle eingeleitet werden. Mittels insbesondere kontrollierter Beimischung - bspw. mittels eines steuerbaren Ventils - ist vorteilhafterweise auch eine Regelung der Konzentration der Kraftstoffkomponenten im geförderten Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch auf einen definierten Wert möglich. Vorzugsweise wird hierzu der jeweilige Wert der Konzentration der Kraftstoffkomponenten mittels eines Sensors innerhalb der Zuleitung erfasst. Dadurch kann wiederum die exakte Dosierung der benötigten Kraftstoffmasse in die Vorkammer vereinfacht werden, da die ansonsten potentiell schwankende Kraftstoffkonzentration nicht ausgeglichen werden müsste.
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In einer zweckmäßigen Verfahrensvariante wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch als solches aus dem Kraftstofftank entnommen. Beispielsweise kommt ein bekanntes und meist ohnehin vorhandenes Tankentlüftungssystem oder ein vergleichbares System zum Einsatz. In einer Variante wird bei diesem Kraftstoff-Luft-Gemisch wie vorstehend beschrieben die Konzentration der Kraftstoffkomponenten abgesenkt.
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In einer weiteren zweckmäßigen und auch für sich genommen erfindungsgemäßen Verfahrensvariante, bei der die Konzentration der Kraftstoffkomponenten im geförderten Kraftstoff-Luft-Gemisch gezielt auf einen Wert eingestellt wird, bei dem nach der Verdichtung auf den gewünschten Systemdruck keine Kondensation auftritt, wird als Maßnahme zur Vermeidung der Kondensation die Anreicherung (oder auch: Sättigung) von Luft mit Kraftstoff, insbesondere mit den leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten nicht bei Umgebungsdruck durchgeführt, wie dies im Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs stattfindet, sondern bei einem gegenüber Umgebungsdruck erhöhten Druck. D. h. das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird erst bei einem erhöhten Druckwert - bspw. dem Systemdruckwert - ausgebildet. Da der Dampfdruck des Kraftstoffs neben der Zusammensetzung der Kraftstoffkomponenten nur von der Temperatur abhängt, stellt sich bei erhöhtem Druck eine niedrigere Konzentration der Kraftstoffkomponenten in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, bspw. in der Gasatmosphäre über dem Flüssigkeitsspiegel eines Verdampfers oder dergleichen ein.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung - insbesondere der vorstehenden Verfahrensvariante - werden die leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten - insbesondere zur Einstellung der Konzentration der Kraftstoffkomponenten, vorzugsweise zur Ausbildung des Kraftstoff-Luft-Gemischs nach der Druckerhöhung - mittels eines Verdampfers, einer Anreicherungskammer und/oder mechanisch, insbesondere mittels einer Membran von den übrigen Kraftstoffkomponenten des Kraftstoffs abgetrennt. Dabei wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch Zusammenführen der leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten mit Luft (bspw. Umgebungsluft oder auch einem Gasgemisch) ausgebildet. Vorzugsweise wird als Membran eine solche herangezogen, die nur für kurzkettige Kohlenwasserstoffe permeabel ist.
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Die vorstehend beschriebenen Konzepte zur Vermeidung der Kondensation sind mithin nicht nur auf Systeme beschränkt, die ein Gemisch aus leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten und Luft aus der Gasatmosphäre oberhalb des Flüssigkeitsspiegels eines Kraftstofftanks nutzen, sondern allgemein für Systeme anwendbar, die ein Gemisch aus leichtsiedenden Komponenten eines Kraftstoffs zur Anreicherung des Gemischs in einer Vorkammer nutzen.
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Das erfindungsgemäße Verbrennungsmotorsystem weist den Kraftstofftank und den Verbrennungsmotor, insbesondere den Otto-Fahrzeugmotor auf. Der Verbrennungsmotor umfasst eine Anzahl, insbesondere eine Mehrzahl von Hauptbrennräumen und jeweils eine zugeordnete Vorkammer. D. h. jedem Hauptbrennraum ist je eine Vorkammer zugeordnet. Diese Vorkammer dient zur Zündung eines im bestimmungsgemäßen Betriebszustand in dem jeweiligen Hauptbrennraum befindlichen Hauptkammergemischs mittelbar über eine Zündung eines in der Vorkammer befindlichen Vorkammergemischs. Außerdem weist das Verbrennungsmotorsystem die vorstehend beschriebene Verdichterstufe sowie die Zuleitung auf, die zur Zuführung des optional bereits mit dem Systemdruckwert beaufschlagten Kraftstoff-Luft-Gemischs (das in der Vorkammer vorzugsweise das Vorkammergemisch bildet), insbesondere des Kraftstoffdampf-Luft-Gemischs, zur jeweiligen Vorkammer dient. Des Weiteren ist das Verbrennungsmotorsystem insbesondere steuerungstechnisch dazu eingerichtet, das vorstehend beschriebene Verfahren vorzugsweise selbsttätig durchzuführen. D. h. das Verbrennungsmotorsystem umfasst vorzugsweise auch eine Steuereinheit, die - schaltungstechnisch oder softwaretechnisch - dazu eingerichtet ist, das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen. Bspw. ist diese Steuereinheit zumindest im Kern durch einen ASIC oder dergleichen oder vorzugsweise durch einen Mikrocontroller mit einem zugeordneten Datenspeicher und einer darauf lauffähig implementierten Steuerungssoftware gebildet. Optional ist diese Steuereinheit dabei in einer übergeordnete Steuerung des Fahrzeugs integriert.
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Da das Verbrennungsmotorsystem dazu eingerichtet ist, die Schritte des vorstehen beschrieben Verfahrens auszuführen, kommen dem Verbrennungsmotorsystem die gleichen Vorteile wie dem erfindungsgemäßen Verfahren zu. Auch weist das Verbrennungsmotorsystem insbesondere die im Rahmen des Verfahrens beschriebenen Merkmale gleichermaßen auf.
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Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden insbesondere derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in einer schematischen Darstellung ein Verbrennungsmotorsystem nach dem Stand der Technik,
- 2 in Ansicht gemäß 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotorsystems, und
- 3-18 jeweils in Ansicht gemäß 1 weitere Ausführungsbeispiele des Verbrennungsmotorsystems.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein Verbrennungsmotorsystem 1 (vgl. 1) für ein Fahrzeug, insbesondere für einen PKW, mit einem Ottomotor 2 weist üblicherweise ein Kraftstoffsystem 3 auf. Das Kraftstoffsystem 3 beinhaltet einen Kraftstofftank (kurz: Tank 4) sowie eine Tank-Be- und Entlüftung (kurz: Tankentlüftung 6). Die Tankentlüftung 6 umfasst ein Aktivkohlefilter 8, mittels dessen der Tank 4 an seiner Oberseite mit der Umgebung verbunden ist. Aufgrund der Verdampfung der leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten des (Otto-) Kraftstoffs bildet sich über dem Flüssigkeitsspiegel 10 im Tank 4 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, konkret ein Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch aus. Bei Stillstand des Ottomotors 2 und einem Überdruck im Tank 4 wird das Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch aus der Tankatmosphäre, d. h. aus dem Tank 4 über das Aktivkohlefilter 8 geleitet. Dabei werden die Kohlenwasserstoffanteile des Kraftstoffdampf-Luft-Gemischs an der Aktivkohle adsorbiert und so verhindert, dass diese in die Umgebung entweichen. Das Aktivkohlefilter 8 ist mit einem Saugrohr 12 des Ottomotors 2 über ein schaltbares Ventil 14 und ein Rückschlagventil 16 (Flussrichtung von Aktivkohlefilter 8 zu Saugrohr 12) verbunden. Ist der Ottomotor 2 in Betrieb, wird das Ventil 14 zwischen Saugrohr 12 und Aktivkohlefilter 8 geöffnet und durch den Unterdruck im Saugrohr 12 Luft aus der Umgebung durch das Aktivkohlefilter 8 ins Saugrohr 12 gezogen. Diese reichert sich dabei mit den in der Aktivkohle adsorbierten Kohlenwasserstoffen an und regeneriert bzw. entleert somit das Aktivkohlefilter 8. Das Ventil 14 zwischen Aktivkohlefilter 8 und Saugrohr 12 kann dabei als Proportionalventil oder Taktventil mittels Pulsweitenmodulation betätigt werden.
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Das Verbrennungsmotorsystem 1 gemäß 1 weist darüber hinausgehend eine Vorkammerzündung für den Ottomotor 2 auf. Dazu umfasst das Verbrennungsmotorsystem 1 eine jeweils einem Hauptbrennraum 18 (auch: Zylinderraum; in 1 ist beispielhaft nur einer dargestellt) zugeordnete Vorkammer 20. Diese ist über eine Zuleitung 22 mit dem Tank 4 verbunden. Im bestimmungsgemäßen Betrieb des Ottomotors 2 wird über die Zuleitung 22 das im Tank 4 aufgrund der Verdampfung der leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten mit der im Tank 4 enthaltenen Luft gebildete Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch abgezogen, mittels einer Verdichterstufe, konkret eines Verdichters 24 auf einen Systemdruckwert verdichtet und über ein insbesondere steuerbares (Dosier-) Ventil 26 in die Vorkammer 20 eingeleitet. Zusätzlich sind in der Zuleitung 22 ein Kohlenwasserstoffsensor (kurz: „HC-Sensor“ 28) sowie ein dem Verdichter 24 nachgelagerter Drucksensor 30 angeordnet. Der HC-Sensor 28 ist hier vor dem Verdichter 24 angeordnet, kann optional aber ebenfalls dem Verdichter 24 nachgeschaltet sein. Das Ventil 24 dosiert in Abhängigkeit von der Konzentration der leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten im Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch letzteres in die Vorkammer 20, so dass dort ein zündfähiges Vorkammergemisch gebildet wird.
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In einem optionalen Ausführungsbeispiel ist eine Luftzuleitung 32, die unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 10 - bspw. bodenseitig - in den Tank 4 mündet, vorhanden. Durch Einleitung von Umgebungsluft wird durch die dabei bedingte Blasenbildung im Kraftstoff die Verdampfung und damit die Anreicherung (oder Sättigung) des Kraftstoffdampf-Luft-Gemischs mit den leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten erhöht. Optional ist ein Ventil 34 in der Luftzuleitung 32 vorhanden und in Abhängigkeit von der mittels des HC-Sensors 28 ermittelten Konzentration des Kraftstoffkomponenten im Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch in der Zuleitung 22 angesteuert. Zusätzlich oder alternativ ist das Ventil 34 als Rückschlagventil ausgebildet und ermöglicht eine Nachströmung von (Umgebungs-) Luft, falls im Tank 4 Unterdruck herrscht.
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Die Zuführung von Kraftstoff in den Hauptbrennraum 18 erfolgt über eine Kraftstoffpumpe 36, eine Kraftstoffleitung 38 sowie einen Injektor 40 (oder gegebenenfalls: eine Kraftstoff-Verteilerleiste). In einem alternativen, hier nicht nähergestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Zuführung von Kraftstoff in den Hauptbrennraum 18 über das Saugrohr 12. In diesem Fall wird der Kraftstoff über wenigstens ein Dosierventil in das Saugrohr 12 eingeleitet und somit die in den Hauptbrennraum 18 über das Saugrohr 12 eingesaugte Luft bereits mit Kraftstoff angereichert.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, das gemäß der Erfindung zum Vermeiden einer Kondensation der leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten aus dem Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch an einer Wandung der Zuleitung 22 nach dem Verdichter 24 dient. Die Zuleitung 22, konkret ein Abschnitt 42 der Zuleitung 22, der mit dem Verdichter 24 beginnt und in der Vorkammer 20 endet, ist dabei beheizbar ausgestaltet. Konkret ist diesem Abschnitt 42 eine Heizung 44 (gestrichelte Linie) zugeordnet. Als Maßnahme zur Vermeidung der Kondensation wird hierbei die Zuleitung 22, konkret der Abschnitt 42 beheizt. Aufgrund der im bestimmungsgemäßen Betrieb erhöhten Temperatur der Zuleitung 22, konkret des Abschnitts 42 wird eine Kondensation der Kraftstoffkomponenten an der ansonsten eher kalten Wandung des Abschnitts 42 unterbunden. An der Wandung des Abschnitts 42 wird somit der Kondensationspunkt des Kraftstoffdampf-Luft-Gemischs zu einem höheren Druck und/oder einer höheren Temperatur (gegenüber dem Systemdruckwert bzw. der Durchschnitts-Temperatur im Abschnitt 42) verschoben.
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In einer Variante dieses Ausführungsbeispiels ist die Heizung 44 durch eine vom Motorkühlmittel (vor dessen Abkühlung in einem Wärmeübertrager) durchströmte Manschette gebildet. In einer alternativen Variante ist die Heizung 44 durch eine elektrisch betriebene Heizmanschette gebildet.
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In 3 ist als alternatives Ausführungsbeispiel eine Abwandlung gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 dargestellt. Die Zuleitung 22 mündet dabei nicht direkt in den Tank 4 sondern ist an die Tankentlüftung 6, konkret vor dem Aktivkohlefilter 8, angeschlossen. Die Luftzuleitung 32 mündet in diesem Ausführungsbeispiel in die Oberseite des Tanks 4 und dient gemeinsam mit dem (Rückschlag-) Ventil 34 dazu, im Falle eines Unterdrucks im Tank 4 ein Einströmen von Luft aus der Umgebung zu ermöglichen. Zwischen das Aktivkohlefilter 8 und den Tank 4 ist außerdem ein (steuerbares) Ventil 50 (alternativ ein Rückschlagventil) geschaltet. Mittels des Rückschlagventils ist eine (Rück-) Strömung aus Richtung des Aktivkohlefilters 8 verhindert. Mittels des steuerbaren Ventils 50 kann diese dagegen wahlweise (gezielt) zugelassen werden.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotorsystems 1 dargestellt. Die Ausführung des Verbrennungsmotorsystems 1, konkret des Kraftstoffsystems 3 entspricht dabei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 mit der Änderung, dass die Heizung 44 entfällt und in die Zuleitung 22 zwischen dem Tank 4 und dem Verdichter 24 ein (insbesondere steuerbares) Mischventil 52 integriert wird, über das (Umgebungs-) Luft in die Zuleitung 22 geleitet werden kann. Dieses Mischventil 52 ist dabei zwischen dem Tank 4 und dem HC-Sensor 28 angeordnet, um die Kraftstoffkonzentration des durch die Beimischung von Luft verdünnten Kraftstoffdampf-Luft-Gemischs messen zu können. Das Mischventil 52 kann dabei als Proportionalventil oder Taktventil mittels Pulsweitenmodulation betätigt werden. Somit ist eine Regelung der Kraftstoffkonzentration des Kraftstoffdampf-Luft-Gemischs möglich. Die Heizung 44 kann hier entfallen, da als Maßnahme zur Vermeidung der Kondensation die Kraftstoffkonzentration derart geregelt wird, dass der Kondensationspunkt des Kraftstoffdampf-Luft-Gemischs bei dem Systemdruckwert oberhalb der Temperatur (d. h. dem aktuellen Temperaturwert) der Wandung des Abschnitts 42 der Zuleitung 22 liegt.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Dieses entspricht einer Kombination der Ausführungsbeispiele gemäß 3 und 4, wobei die Heizung 44 nicht vorgesehen ist.
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Das alternative Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotorsystems 1 gemäß 6 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach 5 dadurch, dass die Luftzuleitung 32 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 10 in den Tank 4 mündet,
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das eine Kombination der Ausführungsbeispiele gemäß 2 und 4 darstellt. D. h. zusätzlich zur Heizung 44 kann eine Beimischung von Luft über das Mischventil 52 erfolgen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotorsystems 1 gemäß 8 sind (in Kombination der Ausführungsbeispiele gemäß 3 und 5) die endseitig beheizbare Zuleitung 22 an der Tankentlüftung 6 und die Luftzuleitung 32 zum Tank 4 an dessen Oberseite angeschlossen.
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In 9 und 10 ist jeweils ein alternatives Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotorsystems 1 dargestellt. Analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 4 entfällt die Heizung 44. Dagegen ist das Mischventil 52 zur Regelung der Konzentration der leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten im Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch vorhanden. Allerdings ist die Zuleitung 22 nicht mit dem Tank 4 sondern mit dem Aktivkohlefilter 8 verbunden. Folglich wird in diesem Ausführungsbeispiel das Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch nicht direkt aus dem Tank, sondern aus dem Aktivkohlefilter 8 entnommen. Das Saugrohr 12 saugt in diesem Ausführungsbeispiel nur Luft aus der Umgebung an. Optional ist die Luftzuleitung 32 in die Tankoberseite vorhanden. Alternativ (s. 10) mündet die Luftzuleitung 32 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 10 in den Tank 4. Zusätzlich ist das Aktivkohlefilter 8 über ein steuerbares Ventil 56 mit der Umgebung verbunden, so dass eine Luftabgabe zur Umgebung hin wahlweise verschlossen oder gedrosselt werden kann. Dieses Ventil 56 kann wiederum dabei als Proportionalventil oder Taktventil mittels Pulsweitenmodulation betätigt werden.
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In dem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 11 weist das Verbrennungsmotorsystem 1 gemäß 9 die Heizung 44 für den Abschnitt 42 der Zuleitung 22 auf. Die Luftzuleitung 32 kann - sofern vorhanden - alternativ zur Darstellung auch unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 10 in den Tank 4 münden.
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In 12 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotorsystems 1 dargestellt. Das Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch wird dabei nicht als solches aus dem Tank 4 entnommen, sondern in einer separaten Verdampferkammer 60 erzeugt. Diese Verdampferkammer 60 weist ein Volumen auf, das an der Unterseite mit der Kraftstoffleitung 38 (für flüssigen Kraftstoff) zwischen Kraftstoffpumpe 36 und Injektor 40 verbunden ist. Optional strömt hierbei ein Teil oder der gesamte zum Injektor 40 geförderte Kraftstoff durch die Verdampferkammer 60. In der Verdampferkammer 60 herrscht daher der übliche durch die Kraftstoffpumpe aufgebrachte Druck von 2 bar bis 8 bar. An der Verdampferkammer 60 ist eine Leitung 62 angeschlossen, durch die mittels eines Verdichters 64 verdichtete Luft in die Verdampferkammer 60 eingeleitet werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel mündet diese Leitung 62 oberseitig in die Verdampferkammer 60. In einer alternativen, nicht näher dargestellten Variante mündet die Leitung 62 unterseitig in die Verdampferkammer 60. Mittels des Verdichters 64 wird die Luft auf einen gegenüber dem Kraftstoff höheren Druckwert gepumpt und somit der flüssige Kraftstoff zumindest teilweise aus der Verdampferkammer 60 verdrängt, so dass sich eine Gasatmosphäre aus Kraftstoffdampf und Luft einstellt. Diese Gasatmosphäre reichert sich mit den leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten an (oder: sättigt sich). Aufgrund des höheren Drucks in der Verdampferkammer 60 und dem, nur von der Temperatur abhängigen, Dampfdruck der leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten fällt die Sättigungskonzentration jedoch deutlich geringer aus als im Tank 4 bei Umgebungsdruck. An der Oberseite der Verdampferkammer 60 wird dieses Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch mittels der Zuleitung 22 entnommen und zur Anreicherung des Gemischs in die Vorkammer 20 geleitet. Der Drucksensor 30, der HC-Sensor 28 sowie das Ventil 26 zur Dosierung des Kraftstoffdampf-Luft-Gemischs in die Vorkammer 20 sind hier ebenfalls vorhanden. Um einen stabilen Flüssigkeitsspiegel in der Verdampferkammer 60 zu ermöglichen, ist optional ein (Füllstand-) Sensor 66 zur Erfassung des Füllstandes vorgesehen, auf Basis dessen Signals der Verdichter 64 gesteuert wird. Durch die sich in diesem Ausführungsbeispiel ergebende verringerte Sättigungskonzentration bei erhöhtem Druck wird eine Kondensation der leichtsiedenden Kraftstoffkomponenten in der Zuleitung 22 vermieden.
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In einer nicht näher dargestellten Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 12 ist in die Kraftstoffleitung 38 zwischen der Verdampferkammer 60 und dem Injektor 40 eine weitere Kraftstoffpumpe angeordnet. Mittels dieser können gegebenenfalls in der Verdampferkammer 60 auftretende Druckverluste ausgeglichen werden. Auch kann dadurch der Druck am Injektor 40 konstant bleiben, in der Verdampferkammer 60 aber variabel reduziert werden. Durch diese Maßnahme kann die Konzentration der Kraftstoffkomponenten in der Gasatmosphäre in der Verdampferkammer 60 geregelt werden, da diese maßgeblich vom Druck und der Temperatur in der Verdampferkammer 60 abhängt.
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In 13 ist eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 12 dargestellt. In die Leitung 62 zur Verdampferkammer 60 ist dabei ein steuerbares Ventil 68 eingebracht, über das verdichtete Luft an der Verdampferkammer 60 vorbei in die Zuleitung 22 zur Vorkammer 20 geleitet werden kann. Durch diese Maßnahme kann die Konzentration der Kraftstoffkomponenten im in der Zuleitung 22 geführten Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch, das zur Anreicherung des Gemischs der Vorkammer verwendet wird, abgesenkt werden.
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In 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotorsystems 1 dargestellt. Die Vorkammer 20 wird auch in diesem Fall - vergleichbar zu den Ausführungsbeispielen gemäß 12 und 13 - aus der Verdampferkammer 60 mit dem Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch versorgt. Die Verdampferkammer 60 ist dabei zur Luftzuführung nicht mit der Umgebung verbunden, sondern (über ein Rückschlagventil 70) mit dem Aktivkohlefilter 8. Mithin wird die Verdampferkammer 60 bereits mit Luft beaufschlagt, die im beladenen Aktivkohlefilter 8 leichtsiedende Kraftstoffkomponenten aufgenommen hat. In diesem Ausführungsbeispiel entfällt die Verbindung des Aktivkohlefilters 8 mit dem Saugrohr 12. Letzteres saugt in diesem Ausführungsbeispiel Umgebungsluft an.
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In 15 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotorsystems 1 dargestellt. In diesem Fall ist die Verdampferkammer 60 nicht direkt an die Kraftstoffleitung 38 zwischen der Kraftstoffpumpe 36 und dem Injektor 40, optional der Verteilerleiste angeschlossen, sondern durch eine separate Leitung 72 und ein stellbares Ventil 74 (oder eine feste Drossel) mit dem Tank 4 verbunden. Zusätzlich ist die Verdampferkammer 60 durch ein einstellbares Ventil 76 (oder eine Drossel) mit der Kraftstoffleitung 38 und somit dem Injektor 40 verbunden. Durch diese Ausführung kann ein konstanter Kraftstoffstrom durch die Verdampferkammer 60 bei variablem Druck eingestellt werden. Durch den Druck in der Verdampferkammer 60 kann dabei die Konzentration der Kraftstoffkomponenten in der Gasatmosphäre oberhalb des Flüssigkeitsspiegels in der Verdampferkammer 60 eingestellt werden.
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In 16 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotorsystems 1 dargestellt, das gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 12 abgeändert ist. In der Verdampferkammer 60 ist hierbei eine Membran 80 angeordnet, die die flüssige Kraftstoff-Phase von der Gasphase trennt. Diese Membran 80 ist derart gewählt, dass sie für kurzkettige Kohlenwasserstoffe (bis zu 5 Kohlenstoffatome) permeabel ist, für längerkettige Kohlenwasserstoffe eine Barriere darstellt.
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In 17 ist ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 13 weitergebildetes ein Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotorsystems 1 dargestellt. In der Verdampferkammer 60 ist die vorstehend beschriebene Membran 80 angeordnet. Gemäß 17 kann die eingangsseitig zu der Verdampferkammer 60 verdichtete Luft über das stellbare Ventil 68 auch an der Verdampferkammer 60 vorbei in die Zuleitung 22 zur Vorkammer 20 geleitet werden.
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In 18 ist wiederum ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, das vergleichbar zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 12 ausgebildet ist. In der Verdampferkammer 60 ist die Membran 80 angeordnet. Der Verdampferkammer 60 wird allerdings keine verdichtete Luft zugeführt. Dagegen ist in der Zuleitung 22 zu Vorkammer 20 der Verdichter 24 angeordnet, der das Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch aus der Verdampferkammer 60 absaugt, verdichtet und zur Vorkammer 20 fördert. Zusätzlich ist das Mischventil 52 vor dem Verdichter 24 oder dem HC-Sensor 28 in der Zuleitung 22 angeorndet. Mittels dieses Mischventils 52 kann gezielt Luft beigemischt werden. In die Leitung 62 zur Verdampferkammer 62 kann zusätzlich ein Ventil (nicht dargestellt) eingesetzt sein, um die Luftzufuhr wahlweise zu drosseln oder zu verschließen.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotorsystem
- 2
- Ottomotor/Verbrennungsmotor
- 3
- Kraftstoffsystem
- 4
- Kraftstofftank
- 6
- Tankentlüftung
- 8
- Aktivkohlefilter
- 10
- Flüssigkeitsspiegel
- 12
- Saugrohr
- 14
- Ventil
- 16
- Rückschlagventil
- 18
- Hauptbrennraum
- 20
- Vorkammer
- 22
- Zuleitung
- 24
- Verdichter
- 26
- Dosierventil
- 28
- HC-Sensor
- 30
- Drucksensor
- 32
- Luftzuleitung
- 34
- Ventil
- 36
- Kraftstoffpumpe
- 38
- Kraftstoffleitung
- 40
- Injektor
- 42
- Abschnitt
- 44
- Heizung
- 50
- Ventil
- 52
- Mischventil
- 56
- Ventil
- 60
- Verdampferkammer
- 62
- Leitung
- 64
- Verdichter
- 66
- Füllstandsensor
- 68
- Ventil
- 70
- Rückschlagventil
- 72
- Leitung
- 74
- Ventil
- 76
- Ventil
- 80
- Membran
