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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremd gezündeten Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zum technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2014 111 897 A1 hingewiesen. Aus dieser ist eine Zündeinrichtung zum Zünden von Brennstoff-Luft-Gemischen in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors mittels einer Corona-Entladung bekannt, mit einer Zündelektrode, einen die Zündelektrode umgebenden Außenleiter, welcher ein vorderes und ein hinteres Ende hat und mit einem zwischen der Zündelektrode und dem Außenleiter angeordneten elektrischen Isolator, aus welchem wenigstens eine Spitze der Zündelektrode herausragt. Die wenigstens eine Spitze der Zündelektrode liegt in einem Raum, der durch eine dem Isolator zugeordnete Kappe abgeschirmt ist, die eine dem Isolator zugewandte Innenseite und eine dem Isolator abgewandte Außenseite sowie eines oder mehrere Löcher hat, durch welche der abgeschirmte Raum mit einem auf der Außenseite der Kappe liegenden Raum, der Brennkammer, in Verbindung steht.
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Weiter ist aus der internationalen Patentanmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer
WO 2008/031482 A2 eine Zündkerze zum Zünden eines brennbaren Gasgemisches beim Verbrennungsmotor bekannt, umfassend:
- eine Zündelektrode,
- eine elektrische Versorgungsleitung, an welche die Zündelektrode angeschlossen ist,
- einen Isolatorkörper, durch den die Versorgungsleitung hindurchgeführt ist,
- ein Gehäusekopf, der dichtend auf dem Isolatorkörper sitzt und ein Außengewinde zum Einschrauben in einen Verbrennungsmotor,
- ein Rohrgehäuse, das an dem Gehäusekopf befestigt ist, den Isolatorkörper umgibt und einen Sechskant trägt,
- wobei das Rohrgehäuse eine Isolatorkörper-Halterung umgibt, die über eine Schweißnaht mit dem Gehäusekopf verschweißt ist und den Isolatorkörper mit einer Vorspannung gegen den Gehäusekopf presst.
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Zum weiteren technischen Umfeld wird ferner auf die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2016 120 984 A1 hingewiesen. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Vorkammerzündkerze für eine mit Gas betriebene Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu deren Herstellung bekannt.
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Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2016 206 992 A1 eine Zündkerze bekannt. Bei der Zündkerze handelt es sich insbesondere um eine Vorkammerzündkerze, mit einem Gehäuse, einer Zündelektrode und einer Masseelektrode, wobei die Zündelektrode über eine Versorgungsleitung mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist und wobei die Versorgungsleitung zumindest teilweise innerhalb eines Isolators verläuft, wobei zumindest ein Ableitungsbereich des Gehäuses aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 150 [W/m*K] hergestellt ist.
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- einen Brennraum, der durch einen an einen Zylinderblock gekoppelten Zylinderkopf ausgebildet wird;
- eine Vorkammer, die mit dem Brennraum in Fluidverbindung steht;
- einen Spülkanal, der an die Vorkammer gekoppelt und dazu aufgebaut ist, Spülluft in die Vorkammer zu strömen, wobei die Strömung der Spülluft durch den Betrieb einer Spülpumpe angetrieben wird; und
- einen Kolben, der im Inneren des Brennraums angeordnet ist.
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Aus der Deutschen Patentanmeldung
DE 10 2017 222 084 A1 ist eine fremdgezündete Hubkolben-Brennkraftmaschine, mit einem Zylinderkopf und mit einem Kurbelgehäuse mit zumindest einem Zylinder bekannt, in dem ein hubbeweglicher Kolben angeordnet ist. Der Zylinderkopf, der Zylinder und der Kolbenboden des Kolbens schließen einen Brennraum ein, der über ein Gaswechselventil mit dem Saugkanal in dem Zylinderkopf für einen Ladungswechsel Gas führend verbindbar ist. Weiter ist ein Kraftstoffinjektor vorgesehen, zur Einbringung von Kraftstoff in den Brennraum und in dem Zylinderkopf ist ein Vorkammerzündsystem vorgesehen, welches Gas führend mit dem Brennraum verbunden. In dem Vorkammerzündsystem ist eine Zündvorrichtung vorgesehen, zur Zündung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, wobei die Vorkammer über eine Absperrvorrichtung in einem Verbindungskanal Gas führend mit dem Saugkanal verbindbar ist.
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Aus der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 28 30 274 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Gemisch verdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einem in einem Hauptzylinder gleitenden, mit einer Kurbelwelle verbundenen Kolben bekannt, der gegenüber einem Zylinderkopf einen Hauptarbeitsraum einschließt, in den wenigstens ein Einlass- und ein Auslassventil einmündet, und mit einem in einem in dem Zylinderkopf angeordneten Hilfszylinder gleitenden Hilfskolben, der einen mit dem Hauptarbeitsraum in Verbindung stehenden Nebenarbeitsraum einschließt, in den eine Zündkerze und eine Kraftstoffzuführungseinrichtung ragen, wobei der Hilfskolben mit der Kurbelwelle verbunden ist und gegenüber dem Hauptkolben gegenläufig und um einige Grad Kurbelwinkel voreilend angetrieben ist.
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Aus der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2018 114 035 A1 ist ein Vorkammerzündungssystem bekannt, umfassend:
- einen Brennraum, der durch einen an einen Zylinderblock gekoppelten Zylinderkopf ausgebildet wird;
- eine Vorkammer, die mit dem Brennraum in Fluidverbindung steht;
- einen Spülkanal, der an die Vorkammer gekoppelt und dazu aufgebaut ist, Spülluft in die Vorkammer zu strömen, wobei die Strömung der Spülluft durch den Betrieb einer Spülpumpe angetrieben wird; und
- einen Kolben, der im Inneren des Brennraums angeordnet ist.
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Aus der Europäischen Patentschrift
EP 3 453 856 B1 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist eine Benzinbrennkraftmaschine bekannt, umfassend:
- - einen Maschinenblock mit mehreren Zylindern und einem Zylinderkopf, der eine jedem Zylinder zugeordnete Brennkammer definiert, und wenigstens einen Einlasskanal und wenigstens einen Auslasskanal, der mit jeweiligen Einlass- und Auslassventilen versehen ist, die jeder Brennkammer zugeordnet sind,
- - eine jedem Zylinder zugeordnete erste Zündkerze, die in einem Trägerelement angebracht ist, das in einem Sitz des Zylinderkopfes angeordnet ist und eine Verbrennungsvorkammer aufweist, die ein erstes Ende, das den Elektroden der ersten Zündkerze zugewandt ist, und ein zweites Ende hat, das über mehrere Öffnungen mit der jeweiligen Brennkammer in Verbindung steht,
- - eine zweite Zündkerze, die jedem Zylinder zugeordnet ist und Elektroden aufweist, die direkt der Brennkammer zugewandt sind,
- - wenigstens eine elektromagnetisch gesteuerte Benzineinspritzvorrichtung, die jedem Zylinder der Maschine zugeordnet ist,
- - eine elektronische Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die erste Zündkerze, die zweite Zündkerze und die wenigstens eine Benzineinspritzvorrichtung für jeden Zylinder der Maschine zu steuern, wobei die Maschine dadurch gekennzeichnet ist, dass:
- - die wenigstens eine Benzineinspritzvorrichtung eine Benzineinspritzvorrichtung zum direkten Einspritzen von Benzin in die Brennkammer und/oder eine Benzineinspritzvorrichtung zum Einspritzen von Benzin in einen Einlass aufweist, der dem Zylinder zugeordnet ist,
- - der Verbrennungsvorkammer keine Einrichtung zum Einspritzen von Benzin oder Luft oder eines Gemisches aus Luft und Benzin direkt zugeordnet ist,
- - die elektronische Steuereinheit dazu programmiert ist, die wenigstens eine Benzineinspritzvorrichtung zu steuern, um ein Luft/Gas-Gemisch in der Brennkammer gemäß einem Verhältnis zu erzeugen, das im Wesentlichen einer stöchiometrischen Dosis oder einer fetteren Dosierung als die stöchiometrische Dosis entspricht,
- - die elektronische Steuereinheit so programmiert ist, dass die zweite Zündkerze, die Elektroden hat, die der Brennkammer direkt gegenüberliegen, nur bei niedrigen und mittleren Maschinenlasten aktiviert wird, um die Verbrennung zu stabilisieren, und inaktiv ist oder aktiv bleibt, jedoch keinen Einfluss auf die Verbrennung hat, indem sie beispielsweise während der Expansions- oder Ausstoßphase des Zylinders bei höheren Belastungen aktiviert wird, und
- - die Verbrennungsvorkammer mit einem Volumen von weniger als 0,5%, vorzugsweise weniger als 0,3% des Hubraums des einzelnen Zylinders der Maschine dimensioniert ist, um die Detonationstendenz des Motors bei hohen Belastungen zu verringern.
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Durch schwierige Zündbedingungen (bspw. bei Abmagerung und zu viel Restgas) in und an einem Vorkammerzündsystem im niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereich und/oder bei geringen Betriebstemperaturen der Brennkraftmaschine ergibt sich ein hohes Maß an Laufunruhe bis hin zu Zündaussetzern. Diese Schwierigkeit lässt sich nur schwer überwinden und steht im Zielkonflikt mit einer Auslegung des Vorkammerzündsystems für hohe spezifische Lasten der Brennkraftmaschine. Insbesondere zeigen Vorkammerzündsysteme bei niedriger Last zu magere Zündbedingungen (Lambda > 1) am Zündort, weshalb keine guten Zündbedingungen vorliegen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, mit der die Zündfähigkeit eines Vorkammerzündsystems über den gesamten Last- und/oder Drehzahlbereich einer Brennkraftmaschine sichergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Verfahrensmerkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Nutzung einer Saugrohreinspritzung (MPI) mit einer Hauptmenge von Kraftstoff mit dem zweiten Kraftstoffinjektor in Verbindung mit einem Vorkammerzündsystem verbessert die Laufruhe bei niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereichen oder niedrigen Temperaturen der Hubkolben-Brennkraftmaschine erheblich und erweitert die Betriebsbereiche drastisch. Durch das sehr homogene Kraftstoff-/Luft-Gemisch, das während des Ansaugtaktes bereits in den Zylinder einströmt, werden auch in dem und im Bereich des Vorkammerzündsystems ein besserer Ladungsaustausch und eine bessere Kraftstoff-/Luft-Gemischaufbereitung erzielt. Die Hubkolben-Brennkraftmaschine saugt in diesem Fall nicht nur Frischluft an und bringt das Kraftstoff-/Luft-Gemisch erst im Kompressionstakt in das Vorkammerzündsystem ein, sondern es wird bereits beim Ansaugen des Kraftstoff-/Luft-Gemischs in das Vorkammerzündsystem eingebracht. Zusätzlich wird bei niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereichen der Hubkolben-Brennkraftmaschine eine zweite, direkte Kraftstoffeinspritzung mit geringem Massenanteil, eine Teilmenge an Kraftstoff mit dem ersten Kraftstoffinjektor in die Kompression, direkt in den Brennraum eingebracht, was eine leichte Anfettung (Lambda < 1) lokal um das Vorkammerzündsystem ermöglicht, was die Zündbedingungen weiter positiv beeinflusst.
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Bevorzugt beträgt die Hauptmenge von Kraftstoff, die mit dem zweiten Kraftstoffinjektor in den Luftzuführkanal eingebracht wird, gemäß Anspruch 2 zwischen 60% und 95% der Kraftstoffmenge für einen Zyklus.
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Weiter beträgt die Teilmenge von Kraftstoff die mit dem ersten Kraftstoffinjektor direkt in den Brennraum eingebracht wird, gemäß Anspruch 3 bevorzugt zwischen 40% und 5% der Kraftstoffmenge für einen Zyklus.
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Die Summe von Hauptmenge und Teilmenge von Kraftstoff in Verbindung mit der Frischluft führen in jedem Zyklus zu einem weitgehend stöchiometrischen Kraftstoff-/Luft-Gemisch (Lambda = 1).
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Diagrammes in einer Figur kurz erläutert.
- 1 zeigt in einem Diagramm ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer fremd gezündeten Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkammerzündsystem.
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1 zeigt in einem Diagramm ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer fremd gezündeten Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Vorkam merzündsystem.
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Das Vorkammerzündsystem ist in einem Zylinderkopf der Hubkolben-Brennkraftmaschine angeordnet und weist eine Zündvorrichtung, wie beispielsweise eine Zündkerze, auf. Zwischen der Zündvorrichtung und einem Deckel ist ein Hohlraum in dem Vorkammerzündsystem, der zumindest einen Durchbruch aufweist. Dieser Durchbruch verbindet den Hohlraum und einen Brennraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine Gas führend.
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Benachbart zu dem Vorkammerzündsystem ist in dem Zylinderkopf ein erster Kraftstoffinjektor angeordnet, zur Einspritzung von Kraftstoff direkt in den Brennraum. Beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine wird ein Kraftstoff/Luft-Gemisch in dem Hohlraum gezündet, wobei anschließend Feuerfackeln durch den zumindest einen Durchbruch in den Brennraum schießen, die das Kraftstoff/Luft-Gemisch in dem Brennraum entzünden.
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Weiter ist für einen Ladungswechsel im dem Brennraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine ein Luftzufuhrkanal vorgesehen, in dem ein zweiter Kraftstoffinjektor angeordnet ist zur Einspritzung von Kraftstoff in den Luftzufuhrkanal. Man spricht hier von einer Saugrohreinspritzung oder MPI (Multi Point Injection).
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Im niedrigen Last- und/oder Drehzahlbereich der Hubkolben-Brennkraftmaschine findet jedoch kein oder kaum ein ausreichender Gasaustauch innerhalb des Vorkammerzündsystems statt, sodass in diesen Last-und/oder Drehzahlbereichen eine sichere Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches nicht immer gewährleistet ist.
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Um diesen Nachteil zu überwinden werden nun folgende erfindungsgemäßen Verfahrensschritte für eine gattungsgemäße Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesch lagen:
- - Einbringen einer Hauptmenge von Kraftstoff in den Luftzufuhrkanal in einem Kurbelwinkelbereich von -120 [°KW] bis -480 [°KW] vor einem Zünd-OT,
- - Einbringen einer Teilmenge von Kraftstoff in den Brennraum in einem Kurbelwinkelbereich von -540 [°KW] bis -10 [°KW] vor dem Zünd-OT.
- - [°KW] bedeutet hierbei Grad Kurbelwinkel.
- - Zünd-OT bedeutet oberer Totpunkt des Kolbens zum Zündzeitpunkt.
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Bevorzugt beträgt die Hauptmenge von Kraftstoff zwischen 60% und 95% der Kraftstoffmenge, die für einen Zyklus benötigt wird.
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Bevorzugt beträgt die Teilmenge von Kraftstoff zwischen 40% und 5% der Kraftstoffmenge, die für einen Zyklus benötigt wird.
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Das Diagramm zeigt über eine Y-Achse einen Zylinderinnendruck von 0 bis 100 in [bar] an. Über eine X-Achse ist ein Kurbelwinkel von -120 bis 840 [°KW] aufgetragen.
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Ein Graph 1 zeigt einen Zylinderinnendruck (Brennrauminnendruck) über den Kurbelwinkel von ca. 0 bar bis ca. 95 bar an. Ein oberer Totpunkt des Kolbens (Zünd-OT) liegt bei 720 °KW.
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Die Einbringung der Hauptmenge von Kraftstoff (1. ES1 MPI (Multi Point Injection) durch den zweiten Kraftstoffinjektor 3 in den Luftzuführkanal erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel bei ca. -160 °KW und kann entsprechend der o. g. Bandbreite variieren. Dargestellt ist dies symbolisch durch den ersten Kraftstoffinjektor 3. Die Hauptkraftstoffmenge beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ca. 90% und kann entsprechend der o. g. Bandbreite variieren.
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Die Einbringung der Teilmenge von Kraftstoff (2. ES2 DI (direct injection)) durch den ersten Injektor 2 in den Brennraum erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel bei ca. - 630 °KW und kann ebenfalls entsprechend der o. g. Bandbreite variieren. Dargestellt ist dies symbolisch durch den ersten Kraftstoffinjektor 2. Die Teilkraftstoffmenge beträgt in diesem Ausführungsbeispiel ca. 10% und kann ebenfalls entsprechend der o. g. Bandbreite variieren.
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Eine Zündung (ZZP = Zündzeitpunkt) des Kraftstoff/Luft-Gemisches erfolgt bei ca. - 690 °KW zuerst in dem Hohlraum des Vorkammerzündsystems und anschließend im Brennraum der Hubkolben-Brennkraftmaschine. Ein Druckmaximum im Brennraum wird bei ca. 750 °KW erreicht.
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Die Einspritzung von Kraftstoff erfolgt insbesondere bei niedrigen spezifischen Lasten der Hubkolben-Brennkraftmaschine größtenteils (> 85 %) über die Saugrohreinspritzung (MPI) mit dem, zweiten Kraftstoffinjektor 3. Dies kann sowohl saugsynchron (Einlassventil geöffnet) oder vorgelagert geschehen, wobei besonders die vorgelagerten Kraftstoff-Einspritzungen (mit langer Kraftstoff-/Luft-Gemischaufbereitungszeit durch geschlossenes Einlassventil) eine gute Wirkung zeigen. Danach saugt die Hubkolben-Brennkraftmaschine homogenes Gemisch an und spült das Vorkammerzündsystem bereits mit Kraftstoff.
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Eine weitere direkte Einspritzung von Kraftstoff durch den ersten Kraftstoffinjektor 2 direkt in den Brennraum mit kleinem Anteil in der Größenordnung 10-15 % in den Kompressionstakt der Hubkolben-Brennkraftmaschine ermöglicht eine weitere lokale Anfettung um das Vorkammerzündsystem herum und damit eine Verbesserung der Zündbedingungen in dem Vorkammerzündsystem. Diese Einspritzung ist allerdings nicht zwingend notwendig. Durch die o. g. Saugrohreinspritzung wird ein zu mageres Kraftstoff-/Luft-Gemisch in dem Vorkammerzündsystem vermieden, wie es häufig bei Direkteinspritzung vorkommt.
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Mögliche Timings sind: MPI = 360-720°KW vor Zünd-OT; DI = 50-200°KW vor Zünd-OT; Aufteilung 80-100% MPI und 0-20% DI.
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Durch die weitere, später stattfindende, direkte Einspritzung einer Teilkraftstoffmenge werden die Zündbedingungen im Bereich um das Vorkammerzündsystem und in dem Hohlraum des Vorkammerzündsystems verbessert und so die Verbrennung stabilisiert. Durch die zweite, späte Einspritzung einer Teilkraftstoffmenge wird somit eine geringe Ladungsschichtung erzeugt und damit das Vorkammerzündsystem vorkonditioniert. Durch dieses vorteilhaftere/zündfähigere Kraftstoff/Luft-Gemisch werden die Zündbedingungen in vorteilhafter Weise in und um dem Hohlraum des Vorkammerzündsystems verbessert.
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Abschließend sei noch gesagt, dass das erfindungsgemäße Verfahren des Vorkammerzündsystems sowohl für passive Vorkammerzündsysteme, als auch für aktive Vorkammerzündsysteme, mit eigener Einbringung von Kraftstoff in den Hohlraum, eingesetzt werden kann.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Vorkammerzündsystems wird die Zündung eines Kraftstoff-/Luftgemisches in dem Vorkammerzündsystem bei allen Last- und/oder Drehzahlbereichen der Hubkolben-Brennkraftmaschine sichergestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Graph
- 2
- Erster Kraftstoffinjektor
- 3
- Zweiter Kraftstoffinjektor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014111897 A1 [0002]
- WO 2008/031482 A2 [0003]
- DE 102016120984 A1 [0004]
- DE 102016206992 A1 [0005]
- DE 102018114035 A1 [0006, 0009]
- DE 102017222084 A1 [0007]
- DE 2830274 [0008]
- EP 3453856 B1 [0010]
