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Die Erfindung betrifft eine Spüleinrichtung zum Spülen einer Vorkammer einer Brennkraftmaschine sowie ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine.
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In bekannter Weise dienen Vorkammerzündkerzen der Beschleunigung des Durchbrandes in einem Brennraum. Dadurch wird das Klopf-Risiko gemindert und auch Gemische mit einem hohen Inertgasanteil werden sicher gezündet. Zum sicheren Betrieb der Vorkammerzündkerzen sind eine gute Spülung und ein geringer Restgasanteil erforderlich, wie durch den Stand der Technik widergespiegelt wird.
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Die Druckschrift
DE 10 2005 017 186 A1 beschreibt ein Verfahren zur Entflammung bei einem so genannten Vorkammer-Verbrennungsmotor mit einer Vorkammerzündkerze, wobei das zum Zündzeitpunkt in der Vorkammer vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem Zündfunken gezündet wird. Vorgesehen ist, dass das Restgas durch Strömungsmaßnahmen in einen hinteren Bereich der Vorkammer, das heißt hinter die Zündstelle, gedrängt wird und von dort zumindest teilweise über einen oder mehrere Ableitkanäle abströmt.
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Ferner ist vorgesehen, dass das Restgas in einen außerhalb der Vorkammer befindlichen Zwischenspeicher über einen oder mehrere Ableitkanäle abströmt und nach einem Druckabfall in der Vorkammer während des Expansionstaktes wieder über die Kanäle in die Vorkammer zurückströmt. In der Druckschrift wird ein Verfahren beschrieben, welches zur verbesserten Spülung der Vorkammer - bis einschließlich in den Bereich der Zündelektroden hinein - mit einem besonders zündwilligen Gemisch von Kraftstoff und Luft erreicht wird.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 221 286 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, welcher in einen Hauptbrennraum und in eine Vorkammer unterteilt ist. Diese Druckschrift beschreibt eine Spüleinrichtung zum Spülen einer Vorkammer einer Brennkraftmaschine und ein zugehöriges Verfahren, um eine Reduktion von Stickoxidemissionen, insbesondere die Stickoxidbildung in der Rückströmphase, zu verringern, wenn durch die Expansion nach der Entzündung des Brennstoff-Luft-Gemischs im Hauptbrennraum Restsauerstoff in die heiße Vorkammer in der Rückströmphase zurückgeschoben wird. Die Vorkammer kann integral mit einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgebildet sein, wobei sie insbesondere als Kammer in dem Zylinderkopf ausgebildet sein kann. Alternativ ist es möglich, dass die Vorkammer als von dem Zylinderkopf separates Bauteil ausgebildet ist.
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Insbesondere ist es auch möglich, dass die Vorkammer Teil einer Vorkammer-Zündeinrichtung, insbesondere einer Vorkammer-Zündkerze, ist.
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Die Vorkammer weist in jedem Fall wenigstens einen Überströmkanal auf, mittels dem die Vorkammer mit dem Hauptbrennraum fluidverbunden ist. Weiterhin ist eine Zündeinrichtung vorgesehen, insbesondere eine Zündkerze, welche eingerichtet ist, ein in der Vorkammer befindliches Brennstoff-Luft-Gemisch zu entflammen. Die Brennkraftmaschine weist daher eine Spüleinrichtung zum Spülen der Vorkammer auf, welche einen Pufferspeicher aufweist. Der Pufferspeicher ist über den ersten Fluidpfad mit dem Hauptbrennraum fluidverbunden, wobei der Pufferspeicher über den zweiten Fluidpfad mit der Vorkammer fluidverbunden ist. Es wird in der Druckschrift eine Vorgehensweise erläutert, die darin besteht, dass eine in einem den Hauptbrennraum mit dem Pufferspeicher verbindenden ersten Fluidpfad angeordnete, erste Ventileinrichtung in eine Offenstellung verlagert wird, wenn ein Brennraumdruck in dem Hauptbrennraum einen Innendruck in dem Pufferspeicher erreicht oder übersteigt. Dies geschieht vorzugsweise zu Beginn eines ersten Zeitintervalls. In der Offenstellung, das heißt vorzugsweise während des ersten Zeitintervalls, gibt die erste Ventileinrichtung den ersten Fluidpfad frei. Das Abgas wird insbesondere mit einem Druck in den Pufferspeicher eingeleitet, welcher dem Brennraumdruck in dem Hauptbrennraum entspricht. Die erste Ventileinrichtung bleibt in dem ersten Arbeitsspiel des Kolbens insbesondere solange in ihrer Offenstellung, bis der Brennraumdruck in dem Hauptbrennraum ein Druckmaximum erreicht. Fällt der Brennraumdruck wieder ab, wird die erste Ventileinrichtung in eine Geschlossenstellung verlagert, wobei in dem Pufferspeicher ein Innendruck gehalten werden kann, welcher dem Druckmaximum in dem Hauptbrennraum entspricht.
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Die Druckschrift
AT 14789 U1 beschreibt eine Vorkammerzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer durch ein Vorkammergehäuse gebildeten Vorkammer, in welche zumindest eine Elektrode einer mit dem Vorkammergehäuse verbundenen Zündkerze einmündet, wobei ein insbesondere kuppelartiges brennraumseitiges Ende des Vorkammergehäuses in einen Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragend anordenbar ist, wobei im Bereich des brennraumseitigen Endes das Vorkammergehäuse zumindest eine Verbindungsöffnung zur Strömungsverbindung der Vorkammer mit dem Brennraum angeordnet ist. Die Lösung dient dazu, Vorzündungen innerhalb der Vorkammer wirksam zu verhindern und die Standzeit der Zündkerze zu erhöhen. Es ist vorgesehen, dass Restgas in einem Bereich der Vorkammer gespeichert wird, wobei der Bereich der Vorkammer von neu in die Vorkammer gedrücktem Gemisch nicht erreicht wird und daher vermischungsfrei verdichtet werden kann und für nachfolgende Verbrennungsvorgänge bereitgestellt wird.
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Unterschieden werden im Stand der Technik so genannte aktive und so genannte passive Vorkammerzündkerzen. Bei aktiven Vorkammerzündkerzen wird während des Ansaugtaktes ein extern, zum Beispiel über ein Gebläse verdichteter Luftstrom in die Vorkammer eingeleitet, der die Vorkammer spült. Optional wird der externe Luftstrom mit Kraftstoff versetzt oder es erfolgt eine direkte Kraftstoffeinspritzung in die Vorkammer, insbesondere zusätzlich zur Kraftstoffeinspritzung in ein Saugrohr oder in den Hauptbrennraum.
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Bei passiven Vorkammerzündkerzen wird nicht aktiv gespült, das heißt, es erfolgt in kritischen Betriebszuständen, insbesondere bei kaltem Motor und/oder niedrigen Lasten und Drehzahlen ein Verzicht auf Vorkammerbetrieb, weil entweder
- a) eine weitere konventionelle Zündkerze im Brennraum vorhanden ist und in kritischen Betriebszuständen zum Einsatz kommt, oder
- b) weil es sich um Hybridmotoren handelt, bei denen in kritischen Betriebszuständen nur elektrisch gefahren wird, so dass in den kritischen Betriebszuständen auf den Einsatz der Vorkammerzündkerzen generell verzichtet wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine kompakte und vielseitig einsetzbare und einfach aufgebaute Spüleinrichtung zum Spülen einer Vorkammer einer Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Spüleinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einer solchen Spüleinrichtung zu schaffen, die einfach absteuerbar ist.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Spüleinrichtung zum Spülen einer Vorkammer mit einem Vorkammerraum einer Brennkraftmaschine, der über mindestens einen Überströmkanal mit einem Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine in Fluidverbindung steht, die einen Druckspeicher mit Speicherraum umfasst, der zumindest mit einem ersten Fluidleitungspfad und einem zweiten Fluidleitungspfad fluidverbunden ist, wobei in jedem der Fluidleitungspfade mindestens eine Absperreinrichtung angeordnet ist, die eingerichtet ist/sind, ein Öffnen und Schließen der Fluidleitungspfade zu bewirken.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein unverbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch aus dem Vorkammerraum der Vorkammer im Speicherraum des Druckspeichers zwischenspeicherbar und das verbrannte Restgas im Vorkammerraum, nach einer Zündung des Brennstoff-Luft-Gemischs im Vorkammerraum, aus dem Vorkammerraum der Vorkammer spülbar ist.
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Dabei ist zwischen dem Vorkammerraum und dem Speicherraum mindestens ein Fluidleitungspfad mit mindestens einer Absperreinrichtung angeordnet.
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Der mindestens eine Fluidleitungspfad verbindet den Vorkammerraum der Vorkammer und den Speicherraum des Druckspeichers in einer Fluid-Kreislaufschaltung miteinander, mittels der eine Spülladung des Brennstoff-Luft-Gemischs im Speicherraum des Druckspeichers zwischenspeicherbar und zu einem vorgebbaren Zeitpunkt in den Vorkammerraum der Vorkammer einspülbar ist.
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Bevorzugt ist in einer ersten Ausführungsform vorgesehen, dass der Vorkammerraum der Vorkammer und der Speicherraum des Druckspeichers über zwei Fluidleitungspfade getrennt voneinander mit dem Vorkammerraum der Vorkammer fluidverbunden sind.
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Bevorzugt ist in einer Ausgestaltungsvariante der zweiten Ausführungsform vorgesehen, dass die Fluidleitungspfade zwischen den Absperreinrichtungen der beiden getrennt angeordneten Fluidleitungspfade und dem Vorkammerraum der Vorkammer zu einem Einzel-Fluidleitungspfad zusammengeführt sind, so dass der Vorkammerraum der Vorkammer nur mit dem zusammengeführten Einzel-Fluidleitungspfad fluidverbunden ist.
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Bevorzugt ist in einer anderen Ausgestaltungsvariante der zweiten Ausführungsform vorgesehen, dass die getrennt angeordneten Fluidleitungspfade zwischen den Absperreinrichtungen der beiden getrennt angeordneten Fluidleitungspfade und dem Speicherraum des Druckspeichers zu einem Einzel-Fluidleitungspfad zusammengeführt sind, so dass der Speicherraum des Druckspeichers nur mit dem zusammengeführten Einzel-Fluidleitungspfad fluidverbunden ist.
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In einer anderen Ausgestaltungsvariante der zweiten Ausführungsform, welche die vorherigen Ausgestaltungsvarianten der zweiten Ausführungsform kombiniert, ist vorgesehen, dass die getrennt angeordneten Fluidleitungspfade nur im Bereich der Absperreinrichtungen getrennt angeordnet sind, so dass die Fluidleitungspfade als zusammengeführter Einzel-Fluidleitungspfad zu dem Speicherraum des Druckspeichers und zu dem Vorkammerraum der Vorkammer geführt sind, so dass der Speicherraum des Druckspeichers und der Vorkammerraum der Vorkammer jeweils nur mit einem zusammengeführten Einzel-Fluidleitungspfad fluidverbunden ist.
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Bevorzugt ist in einer dritten Ausführungsform vorgesehen, dass der Vorkammerraum der Vorkammer und der Speicherraum des Druckspeichers über einen Einzel-Fluidleitungspfad miteinander fluidverbunden sind, in dem als Absperreinrichtung eine aktiv ansteuerbare, fremdgesteuerte Absperreinrichtung angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung, die für alle Ausführungsformen gilt, ist vorgesehen, dass der Speicherraum des Druckspeichers über mindestens eine weitere Fluidverbindung verfügt, über die Kraftstoff über eine Kraftstoffzuführung und/oder Verbrennungsluft über eine Verbrennungsluftzuführung zu einem vorgebbaren Zeitpunkt in den Speicherraum des Druckspeichers zuführbar ist.
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Gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform ist bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine, in dem ersten Fluidleitungspfad angeordnete Absperreinrichtung ein aktiv ansteuerbares, erstes fremdgesteuertes Rückschlagventil ist, welches derart eingerichtet ist, dass ausschließlich unverbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch in einer vorgegebenen Durchflussrichtung aus dem Vorkammerraum der Vorkammer in den Speicherraum des Druckspeichers strömt.
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Weiter ist bevorzugt gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform vorgesehen, dass die mindestens eine, in dem zweiten Fluidleitungspfad angeordnete mindestens eine Absperreinrichtung ein zweites Rückschlagventil oder ein aktiv ansteuerbares, zweites fremdgesteuertes Rückschlagventil ist, welches derart eingerichtet ist, dass ausschließlich im Speicherraum des Druckspeichers zwischengespeichertes unverbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch in einer vorgegebenen Durchflussrichtung aus dem Speicherraum des Druckspeichers in den Vorkammerraum der Vorkammer strömt.
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Schließlich ist gemäß der dritten Ausführungsform bevorzugt vorgesehen, dass die aktiv ansteuerbare, fremdgesteuerte Absperreinrichtung in dem Einzel-Fluidleitungspfad ein Zwei-Wege-Ventil ist, welches derart eingerichtet ist, dass zu einem vorgebbaren Zeitpunkt für eine vorgebbare Zeitspanne ausschließlich unverbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch in einer vorgegebenen Durchflussrichtung aus dem Vorkammerraum der Vorkammer in den Speicherraum des Druckspeichers strömt und zu einem anderen vorgebbaren Zeitpunkt für eine vorgebbare Zeitspanne ausschließlich im Speicherraum des Druckspeichers zwischengespeichertes, unverbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch in einer vorgegebenen Durchflussrichtung aus dem Speicherraum des Druckspeichers in den Vorkammerraum der Vorkammer strömt.
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Spezifische Ausgestaltungsvarianten der Spüleinrichtung weisen folgende Merkmale auf:
- Bevorzugt sind in einer Ausgestaltungsvariante ausschließlich die Fluidleitungspfade in denen keine Absperreinrichtung angeordnet sind, im Grundkörpers einer Vorkammerzündkerze angeordnet.
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Bevorzugt sind in einer anderen Ausgestaltungsvariante die Fluidleitungspfade und die Bereiche der Fluidleitungspfade, in denen Absperreinrichtungen angeordnet sind, im Grundkörper der Vorkammerzündkerze angeordnet.
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Bevorzugt sind in einer noch anderen Ausgestaltungsvariante die Fluidleitungspfade und deren Absperreinrichtungen sowie der Druckspeicher im Grundkörpers der Vorkammerzündkerze angeordnet.
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Dabei ist ferner vorgesehen, dass die Fluidleitungspfade in den Bereichen, in denen die Absperreinrichtungen angeordnet sind, entweder außerhalb aber nahe der Vorkammerzündkerze oder in einem Zylinderkopf nahe der Vorkammerzündkerze angeordnet sind.
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Weiter ist bevorzugt vorgesehen, dass ausschließlich der Druckspeicher entweder außerhalb aber nahe der Vorkammerzündkerze oder in einem Zylinderkopf nahe der Vorkammerzündkerze angeordnet ist.
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In noch weiteren Ausgestaltungen steht die Vorkammer einteilig oder mehrteilig mit dem Grundkörper der Vorkammerzündkerze in Verbindung.
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Es wird ferner ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gelehrt, welches mit der erfindungsgemäßen Spüleinrichtung ausgeführt wird.
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Ausgangspunkt ist die Spüleinrichtung, die den mindestens einen Brennraum der Brennkraftmaschine aufweist, der in einen Hauptbrennraum und einen Vorkammerraum einer Vorkammer unterteilt ist, wobei der Vorkammerraum über mindestens einen Überströmkanal mit dem Hauptbrennraum der Brennkraftmaschine in Fluidverbindung steht, und der Vorkammerraum zum Spülen der Vorkammer mit der Spüleinrichtung fluidverbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist verfahrensseitig schrittweise vorgesehen, dass ein unverbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch aus dem Vorkammerraum der Vorkammer im Speicherraum des Druckspeichers zwischengespeichert wird und das verbrannte Restgas im Vorkammerraum, nach einer zweiten Zündung des Brennstoff-Luft-Gemischs im Vorkammerraum, aus dem Vorkammerraum der Vorkammer gespült wird, wobei zwischen dem Vorkammerraum und dem Speicherraum mindestens ein Fluidleitungspfad mit mindestens einer Absperreinrichtung angeordnet ist, der den Vorkammerraum der Vorkammer und den Speicherraum des Druckspeichers in einer Fluid-Kreislaufschaltung miteinander verbindet, wodurch die zwischengespeicherte Spülladung des Brennstoff-Luft-Gemischs im Speicherraum des Druckspeichers zu einem vorgebbaren Zeitpunkt in den Vorkammerraum der Vorkammer gespült wird.
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Nachfolgend wird zur weiteren Erläuterung des Verfahrensschrittes auf die Beschreibung verwiesen, in der in Bezug auf die erste und zweite Ausführungsform das differenzdruckabhängige Öffnen und Schließen in eine vorgesehene Durchlassrichtung beziehungsweise die zeitweise vorgesehene Fremdansteuerung der zugehörigen Absperreinrichtungen in Zusammenhang mit den 1 , 2 und 3 detailliert erläutert wird.
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Die nachfolgende Beschreibung geht auch auf die dritte Ausführungsform ein, welche das Öffnen und Schließen der zugehörigen Absperreinrichtung in eine vorgesehene Durchlassrichtung beziehungsweise die zeitweise vorgesehene Fremdansteuerung der zugehörigen Absperreinrichtung in Zusammenhang mit der 4 detailliert erläutert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorkammerzündkerze, die gemäß einer ersten prinzipiellen Ausführungsform mit einem Druckspeicher fluidverbunden ist,
- 2 eine schematische Darstellung der Vorkammerzündkerze, die gemäß einer zweiten prinzipiellen Ausführungsform in einer Ausgestaltungsvariante mit dem Druckspeicher fluidverbunden ist,
- 3 eine schematische Darstellung der Vorkammerzündkerze, die gemäß der zweiten prinzipiellen Ausführungsform gemäß 2 in einer anderen Ausgestaltungsvariante mit dem Druckspeicher fluidverbunden ist und
- 4 eine schematische Darstellung der Vorkammerzündkerze, die gemäß einer dritten prinzipiellen Ausführungsform mit dem Druckspeicher fluidverbunden ist.
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Die 1 und 2 zeigen einen Zylinder 1 und einen Zylinderkopf 10 einer Brennkraftmaschine. Es wird gemäß der nachfolgend Beschreibung zunächst um Zusammenschau der 1 und 2 gebeten.
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Der Zylinder 1 und der Zylinderkopf 10 bilden einen Brennraum, der in einen Hauptbrennraum 10A und in einen Vorkammerraum 22A einer Vorkammer 22 unterteilt ist.
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Über ein Einlassventil EV kann dem Hauptbrennraum 10A ein Brennstoff-Luft-Gemisch, insbesondere ein mageres Brennstoff-Luft-Gemisch, zugeführt werden, welches durch einen Einlass im Zylinderkopf 10 einströmt. In einem Kanal (nicht dargestellt) stromaufwärts eines Verschlussteils des Einlassventils EV herrscht ein vorgebbarer Ladedruck.
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In dem Hauptbrennraum 10A ist ein verlagerbar angeordneter Kolben (nicht dargestellt) angeordnet, welcher mit einem Pleuel (nicht dargestellt) wirkverbunden ist.
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Das Brennstoff-Luft-Gemisch kann aus dem Hauptbrennraum 10A über einen Auslass ausströmen, welcher durch ein Auslassventil AV sperr- und freigebbar ist.
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Das Vorkammergehäuse der Vorkammer 22 weist wenigstens einen Überströmkanal 22B auf, mittels dem der Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 mit dem Hauptbrennraum 10A fluidverbunden ist.
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Es ist eine Zündeinrichtung 23 vorgesehen, insbesondere eine Zündkerze, welche eingerichtet ist, ein in der Vorkammer 22 befindliches Brennstoff-Luft-Gemisch zu entflammen. Mit anderen Worten, es ist eine Vorkammerzündkerze 20 vorgesehen, wobei der Grundkörper 21 der Vorkammerzündkerze 20 (wie dargestellt) oder das Vorkammergehäuse der Vorkammer 22 mittels einer nicht dargestellten Halteeinrichtung im Zylinderkopf 10 der Brennkraftmaschine gehalten ist.
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Im gewählten Ausführungsbeispiel ist die Vorkammer, das heißt das Vorkammergehäuse der Vorkammer 22, in einer Ausgestaltung (einteilige Ausgestaltung) Teil der Vorkammerzündkerze 20.
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Das Vorkammergehäuse der Vorkammer 22 kann aber auch in einer anderen Ausgestaltung getrennt (zweiteilige Ausgestaltung) von der Zündeinrichtung 23 (nicht dargestellt) in dem Zylinderkopf 10 der Brennkraftmaschine ausgebildet sein, wobei sie insbesondere als Kammer in dem Zylinderkopf 10 ausgebildet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung (zweiteilige Ausgestaltung) ist es möglich, dass das Vorkammergehäuse der Vorkammer 22 als von dem Zylinderkopf 10 separates Bauteil ebenfalls getrennt von der Zündeinrichtung 23 ausgebildet und angeordnet ist.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine ist vorgesehen, dass dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 ein Brennstoff-Luft-Gemisch bereitgestellt wird, welches mittels der Zündeinrichtung 23 entflammbar ist.
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Durch Entflammung dieses Brennstoff-Luft-Gemischs strömt das Brennstoff-Luft-Gemisch in einer Art Fackelstrahl/en durch den wenigstens einen Überströmkanal 22B in den Hauptbrennraum 10A und entflammt das dort vorliegende, vorzugsweise Brennstoff-Luft-Gemisch.
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Durch eine Expansion nach der Entflammung des Brennstoff-Luft-Gemischs in dem Hauptbrennraum 10A wird in nachteiliger Weise Restgas durch wenigstens einen Überströmkanal 22B in den Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 zurückgeschoben.
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In bekannter Weise ist es von besonderer Bedeutung, dass das vor der Verdichtung in dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 vorhandene und bereits ausgebrannte „Restgas“ durch eine entsprechende Strömungsführung von der Zündstelle gedrängt wird, damit im nächsten Arbeitstakt der Restgasanteil an der Zündstelle im Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 gering ist, so dass insbesondere bei Kompressionsbeginn im nächsten Arbeitstakt frisches zündwilliges Brennstoff-Luft-Gemisch in den im Wesentlichen restgasfreien Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 einströmen kann.
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Insbesondere bei einer Zuführung von magerem Brennstoff-Luft-Gemisch ist es von besonderer Bedeutung, dass der Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 im Wesentlichen restgasfrei ist, damit verbesserte Zündungs- und Entflammungseigenschaften des gegenüber stöchiometrischem oder fettem Brennstoff-Luft-Gemisch geringeren Kraftstoffanteils des Brennstoff-Luft-Gemischs erreicht werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt, insbesondere aus den genannten Gründen, eine Spüleinrichtung zum Spülen des Vorkammerraums 22A der Vorkammer 22 zur Verfügung.
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Erste Ausführungsform:
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Die Spüleinrichtung umfasst gemäß einer ersten Ausführungsform mit Blick auf 1 einen ersten und zweiten Fluidleitungspfad I, II, der mit dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 fluidverbunden ist.
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Ausgestaltungsvariante der zweiten Ausführungsform:
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Die Spüleinrichtung umfasst gemäß einer Ausgestaltungsvariante einer zweiten Ausführungsform mit Blick auf 2 einen ersten und zweiten Fluidleitungspfad I, II, die zu einem Fluidleitungspfad I+II zusammengeführt sind, der als Einzelleitung mit dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 fluidverbunden ist.
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Dieser Fluidleitungspfad wird nachfolgend als zusammengeführter Fluidleitungspfad I+II bezeichnet.
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Ausgestaltungsvariante der zweiten Ausführungsform:
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Die 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung der Vorkammerzündkerze 20, die in einer Ausgestaltungsvariante der zweiten Ausführungsform auf andere Weise mit dem Druckspeicher 30 fluidverbunden ist.
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Der Unterschied gemäß dieser Ausgestaltungsvariante gemäß 3 zu der Ausgestaltungsvariante gemäß 2 besteht darin, dass der erste und zweite Fluidleitungspfad I, II vor und hinter den Absperreinrichtungen A und B zu einem Knoten zusammengeführt sind, so dass an der Vorkammer 22 in vorteilhafter Weise nur eine zusammengeführte kombinierte „Vorlaufleitung“ und „Rücklaufleitung“ I+II und an dem Druckspeicher 30 ebenfalls in vorteilhafter Weise nur eine zusammengeführte, mithin kombinierte „Vorlaufleitung“ und „Rücklaufleitung“ I+II angeordnet sind.
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Die nachfolgende Beschreibung gilt zunächst für beide Ausführungsformen, so dass nachfolgend in einer Zusammenschau auf die 1 bis 3 eingegangen wird.
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Die Funktionsweise der Spüleinrichtungen der ersten und zweiten Ausführungsformen ändert sich, obwohl ein unterschiedlicher Aufbau vorliegt, nicht.
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Wie nachfolgend noch weiter erläutert wird, bildet der erste Fluidleitungspfad I eine Art „Vorlaufleitung“.
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Der zweite Fluidleitungspfad II bildet, wie ebenfalls nachfolgend noch weiter erläutert wird, eine Art „Rücklaufleitung“.
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Der zusammengeführte Fluidleitungspfad I+II bildet sowohl die „Vorlaufleitung“ als auch die „Rücklaufleitung“, das heißt eine kombinierte „Vor- und Rücklaufleitung“, wie auch noch erläutert wird.
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Die Spüleinrichtung umfasst ferner einen Druckspeicher 30 mit einem Speicherraum 30A, der in beiden Ausführungsformen mit Blick auf die 1 und 2 mit den beiden Fluidleitungspfaden I und II in Fluidverbindung und somit auch strukturell in Verbindung steht.
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Vorgesehen ist prinzipiell, dass der Druckspeicher 30 sehr nahe der Vorkammer 22 angeordnet ist. Der Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 weist bevorzugt ein Speichervolumen auf, welches dem 0,3-Fachen bis zum 20-Fachen des Volumens des Vorkammerraums 22A der Vorkammer 22 entspricht. Ein optimales bevorzugtes Verhältnis liegt vor, wenn das Speichervolumen des Speicherraums 30A des Druckspeichers 30 dem Dreifachen bis zum Fünffachen des Volumens des Vorkammerraums 22A der Vorkammer 22 entspricht.
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In den beiden Fluidleitungspfaden I und II ist jeweils mindestens eine Absperreinrichtung angeordnet.
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Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Spüleinrichtung kompakt und hinsichtlich seiner Komplexität einfach und somit kostengünstig ausgebildet sein soll, so dass für die Absperreinrichtungen in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung Rückschlagventile A und B gewählt und in den Fluidleitungspfad I und II - wie folgt - angeordnet beziehungsweise funktionell angeordnet werden.
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In den 1 bis 3 ist verdeutlicht, dass das Rückschlagventil A im ersten Fluidleitungspfad I („Vorlaufleitung“) derart angeordnet ist, dass es in Fluidströmungsrichtung vom Druckspeicher 30 ausgehend in Richtung Vorkammer 22 schließt. Das heißt, das dichtende Stellelement des Rückschlagventils A wird in den Sitz in Richtung ZU gedrückt, damit der Durchfluss im ersten Fluidleitungspfad I gesperrt ist, wenn der Druck p30A im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 größer als ein Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 ist.
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Mit anderen Worten, das dichtende Stellelement des Rückschlagventils A wird von seinem Sitz in Richtung (AUF) angehoben, damit der Durchfluss frei ist, wenn in Durchlassrichtung ein Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 größer ist als der Druck p30A im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 ist.
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Dabei ist vorgesehen, dass das Rückschlagventil A als aktives Rückschlagventil ausgebildet ist, welches derart fremdansteuerbar ist, dass das Öffnen (AUF) bei Ansteuerung unterbunden wird beziehungsweise zielgerichtet unterbunden werden kann, wie noch erläutert wird.
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In den 1 bis 3 ist weiter verdeutlicht, dass das Rückschlagventil B im zweiten Fluidleitungspfad II („Rücklaufleitung“) derart angeordnet ist, dass es in Fluidströmungsrichtung von der Vorkammer 22 ausgehend in Richtung Druckspeicher 30 schließt. Das heißt, das dichtende Stellelement des Rückschlagventils B wird in den Sitz in Richtung (ZU) gedrückt, damit der Durchfluss im zweiten Fluidleitungspfad II gesperrt ist, wenn der Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 größer als Druck p30A im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 ist.
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Mit anderen Worten, das dichtende Stellelement des Rückschlagventils B wird von seinem Sitz in Richtung (AUF) angehoben, damit der Durchfluss frei ist, wenn in Durchlassrichtung ein Druck p30A im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 größer ist als der Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22.
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Dabei ist vorgesehen, dass das Rückschlagventil B in vorteilhafter Weise als passives Rückschlagventil ausgebildet ist, welches nicht fremdansteuerbar ist. Optional ist es möglich, dass das zweite Rückschlagventil B ebenfalls ein aktives Rückschlagventil ist, um ein Öffnen bei Ansteuerung gegebenenfalls zu unterbinden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass dem Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 über eine Kraftstoffzuführung 40 (schematisch dargestellt) Kraftstoff zuführbar ist. Das heißt, der Druckspeicher 30 umfasst eine Fluidöffnung, über die dem Druckspeicher bei Bedarf Kraftstoff zugeführt werden kann, wie noch erläutert wird. Optional kann auch noch eine Verbrennungsluftzuführung 50 (schematisch dargestellt) angeordnet sein.
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Wie in der Beschreibungseinleitung ausgeführt ist zum sicheren Betrieb der Vorkammerzündkerzen und damit der Brennkraftmaschine eine gute Spülung des Vorkammerraumes 22A der Vorkammer 22 erforderlich, um den Restgasanteil nach der Zündung des Brennstoff-Luft-Gemischs in der Vorkammer in einem Arbeitsspiel in dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 für das nächste Arbeitsspiel so gering wie möglich zu halten.
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Prinzipielle Erläuterung der Vorgehensweise gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform:
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Die beschriebene Spüleinrichtung kann wie folgt in vorteilhafter Weise einfach und wirksam betrieben werden, um den Restgasanteil in dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 zu minimieren, wie nachfolgend erläutert wird.
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In einem ersten Zeitintervall wird innerhalb eines Kompressionstaktes eines ersten Arbeitsspiels eines in dem Hauptbrennraum verlagerbar angeordneten Kolbens unverbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch - als Spülladung - aus dem Vorkammerraum 22A in einen Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 eingeleitet, wobei sich die Absperreinrichtung in dem ersten Fluidleitungspfad I differenzdruckabhängig selbsttätig in Durchlassrichtung zum dem ersten Druckspeicher 30 öffnet (AUF), während die Absperreinrichtung in dem zweiten Fluidleitungspfad II differenzdruckabhängig selbsttätig schließt (ZU) beziehungsweise geschlossen (ZU) ist.
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In einem zweiten Zeitintervall wird innerhalb eines Arbeitstaktes des ersten Arbeitsspiels in dem Druckspeicher 30 die Spülladung gespeichert, wobei die Absperreinrichtung in dem ersten Fluidleitungspfad I fremdangesteuert geschlossen gehalten wird und die Absperreinrichtung in dem zweiten Fluidleitungspfad II differenzdruckabhängig selbsttätig schließt (ZU) beziehungsweise geschlossen (ZU) ist.
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In einem dritten Zeitintervall wird innerhalb eines Ausstoßtaktes des ersten Arbeitsspiels und/oder innerhalb eines Ansaugtaktes des nachfolgenden Arbeitsspiels die Spülladung aus dem Druckspeicher 30 in die Vorkammer 22 eingeleitet und das Restgas des im Arbeitstakt des ersten Arbeitsspiels gezündeten und verbrannten Brennstoff-Luft-Gemischs wird über den mindestens einen Überströmkanal 22B, der mit dem Hauptbrennraum 10A der Brennkraftmaschine in Fluidverbindung steht, aus dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 in den Hauptbrennraum gespült, wobei die Absperreinrichtung in dem ersten Fluidleitungspfad I differenzdruckabhängig selbsttätig schließt (ZU) und die Absperreinrichtung in dem zweiten Fluidleitungspfad II selbsttätig in Durchlassrichtung zu der Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 differenzdruckabhängig selbsttätig öffnet (AUF).
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Vorgesehen ist prinzipiell weiter bevorzugt, dass ausschließlich die Absperreinrichtung in dem ersten Fluidleitungspfad I zeitweise in ihre Geschlossenstellung (ZU) fremdangesteuert wird, wobei beide Absperreinrichtungen in den beiden Fluidleitungspfaden I und II differenzdruckabhängig in eine vorgesehene Durchlassrichtung selbsttätig öffnen (AUF) und schließen (ZU), wenn keine Fremdansteuerung in die Geschlossenstellung (ZU) vorgenommen wird.
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Weiter ist prinzipiell in einer Ausführungsvariante vorgesehen, dass beide Absperreinrichtungen in den beiden Fluidleitungspfaden I und II zeitweise in ihre Geschlossenstellung (ZU) fremdangesteuert werden, wobei beide Absperreinrichtungen in den Fluidleitungspfaden I und differenzdruckabhängig in eine vorgesehene Durchlassrichtung selbsttätig öffnen (AUF) und schließen (ZU), wenn keine Fremdansteuerung in die Geschlossenstellung (ZU) vorgenommen wird.
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Noch detailliertere Erläuterung der Vorgehensweise gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform:
- Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit der Spüleinrichtung wird in einem ersten Zeitintervall im Kompressionstakt eines ersten Arbeitsspiels des in dem Hauptbrennraum 10A verlagerbar angeordneten Kolbens durch das komprimierte Brennstoff-Luft-Gemisch im Hauptbrennraum 10A über den wenigstens einen Überströmkanal 22B vom Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 unverbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch über die „Vorlaufleitung“, das heißt über den ersten Fluidleitungspfad I, in den Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 gedrückt. Mit anderen Worten, es wird in vorteilhafter Weise die Verdichtungsarbeit der Brennkraftmaschine benutzt, um den Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 mit unverbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch zu befüllen.
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Hierbei öffnet das in der „Vorlaufleitung“ I angeordnete Rückschlagventil A selbsttätig (ohne Fremdsteuerung) und kommt durch die Druckverhältnisse zwischen Vorkammer 22 und Druckspeicher 30 in seine Offenstellung (AUF), so dass der erste Fluidleitungspfad I zeitweise offen ist.
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Das erste Rückschlagventil A befindet sich solange in der Offenstellung, bis im Speicherraum 30A des Druckspeichers der Hauptbrennraumdruck p10A in dem Hauptbrennraum 10A beziehungsweise der Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A erreicht (p10A = p22A) ist.
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Es versteht sich, dass das zweite Rückschlagventil B zu diesem Zeitpunkt geschlossen ist, dass der Hauptbrennraumdruck p10A in dem Hauptbrennraum 10A über den Fluidleitungspfad II auch auf das Stellelement des zweiten Rückschlagventils B wirkt, so dass das Stellelement in den Sitz gedrückt wird und bei diesen Druckverhältnissen nicht öffnen kann (ZU).
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Ohne weitere Druckmesseinrichtung im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 erreicht somit der Innendruck p30A im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 einen Druck, der dem maximalen Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A entspricht.
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Sinkt der Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A nach Erreichen des Maximums wieder ab, wird sich das erste Rückschlagventil A in vorteilhafter Weise selbsttätig schließen (ZU). Das dichtende Stellelement des Rückschlagventiles A wird sozusagen selbsttätig automatisch in den Sitz gedrückt.
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Sobald sich das Rückschlagventil A in der Geschlossenstellung (ZU) befindet, steht in dem Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 eine Spülmenge bei einem Druck an, der dem maximalen Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A im Kompressionstakt des ersten Arbeitsspiels entspricht. Der vorkammernahe Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 ist somit befüllt.
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Es ist weiter in einem zweiten Zeitintervall vorgesehen, dass spätestens zum Zündzeitpunkt, der insbesondere durch Zündung mittels einer Zündeinrichtung 23 in der Vorkammer 22 definiert ist, das heißt in dem Zeitintervall des Arbeitstaktes des ersten Arbeitsspiels dafür gesorgt wird, dass das erste Rückschlagventil A, welches als aktives Rückschlagventil ausgebildet ist, und dadurch fremdansteuerbar ist, nicht öffnet.
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Nach der Zündung innerhalb der Vorkammer 22 steigt der Druck p22A in dieser schnell an, dabei wird die Funkenenergie um mehrere Größenordnungen vervielfacht und mehrere Fackelstrahlen schießen in den Hauptbrennraum 10A. Das führt zu multiplen Zündorten außerhalb der Mitte des Hauptbrennraums 10A und bewirkt generell durch die Vorkammerzündung in vorteilhafter Weise ein schnelles Durchbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs und eine verringerte Klopfneigung bei Ottomotoren.
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Mit anderen Worten, das „erneute“ Öffnen (AUF) des Rückschlagventils A durch den nach der Zündung stark ansteigenden Druck wird zeitweise, das heißt solange durch Ansteuerung des aktiven Rückschlagventils A, unterbunden, bis in dem nächsten Takt, das heißt im Ausstoßtakt des nächsten Arbeitsspiels, das Restgas zumindest teilweise aus dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 über den Hauptbrennraum 10A über das Auslassventil AV ausgestoßen wird.
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Dabei sinkt der Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A soweit ab, dass das erste Rückschlagventil A aufgrund des gegenüber dem Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A höheren Druckes p30A im Speicherraum 30A nicht mehr selbsttätig öffnet. Mit anderen Worten, das Rückschlagventil A erfüllt wieder seine „einfache“ Rückschlagfunktion, da der Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A dann wieder unterhalb des Druckes p30A im Speicherraum 30A liegt.
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Die aktive Ansteuerung des aktiven Rückschlagventils A erfolgt dann erfindungsgemäß nicht mehr, um ein erneutes selbsttätiges Öffnen des ersten Rückschlagventils A im ersten Zeitintervall des nächsten Arbeitstaktes zu ermöglichen.
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Vorgesehen ist, dass die Spülung der Vorkammer 22 in einem nächsten dritten Zeitintervall selbsttätig erfolgt, indem nach dem Absinken des Hauptbrennraumdrucks p10A in dem Hauptbrennraum 10A beziehungsweise des gleichzeitig absinkenden Drucks p22A in dem Vorkammerraum 22A durch den jetzt höheren Druck p30A im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 das zweite Rückschlagventil B selbsttätig öffnet (AUF), so dass die zwischengespeicherte Ladung im Druckspeichers 30 (als zwischengespeicherte Spülladung des frischen Brennstoff-Luft-Gemisches aus dem vorhergehenden Kompressionstakt - erster Zeitintervall des gleichen Arbeitsspieles) aus dem Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 in den Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 strömt und die Vorkammer 22 spült.
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Dieser Vorgang, das heißt das dritte Zeitintervall, beginnt somit bereits im Ausstoßtakt des ersten Arbeitsspiels durch Öffnen des Auslassventils AV bei geschlossenem Einlassventil EV der Brennkraftmaschine.
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Das dritte Zeitintervall erstreckt sich bis zum nächsten zweiten Arbeitsspiel, welches dem ersten Arbeitsspiel folgt. Auch im Ansaugtakt des zweiten Arbeitsspiels, bei dem bekanntermaßen das Einlassventil EV der Brennkraftmaschine geöffnet und das Auslassventil AV geschlossen wird, liegen noch die druckseitigen „Spülbedingungen“ zum Öffnen (AUF) des zweiten Rückschlagventils B (im Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 (p10A = p22A < p30A) zwischen Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 und im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 vor, so dass die zwischengespeicherte Ladung im Druckspeicher 30 als zwischengespeicherte Spülladung aus dem Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 in den Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 strömt und die Vorkammer 22 spülen kann.
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Das Rückschlagventil A ist beispielsweise werkseitig so eingestellt, dass es selbsttätig erst im Kompressionstakt öffnet, beziehungsweise wird die Öffnungsfunktion des ersten aktiven Rückschlagventils A solange unterbunden, bis die vom Ladedruck im Hauptbrennraum 10A ausgehende Druckerhöhung im Hauptbrennraum 10A im jeweiligen Kompressionstakt in dem jeweiligen Arbeitsspiel beginnt.
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Bei einem optional eingesetzten zweiten Rückschlagventil B als aktives Rückschlagventil ist es möglich, die Offenstellung (AUF) des Rückschlagventils B dahingehend zu begrenzen, dass eine selbsttätige Offenstellung nur zeitweise erfolgt und ansonsten durch Fremdansteuerung unterbunden wird. Hierdurch ist in analoger Weise zu der Ansteuerung des ersten aktiven Rückschlagventils A in vorteilhafter Weise eine zeitliche Ansteuerung des zweiten Rückschlagventils B in der gewünschten Offenstellung (AUF) innerhalb des dritten Zeitintervalls realisierbar.
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Wie oben erläutert wird bei aktiven Vorkammerzündkerzen, bevorzugt insbesondere während des Ansaugtaktes eines Arbeitsspiels, die Vorkammer 22 gespült.
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Bei passiven Vorkammerzündkerzen wird nicht aktiv gespült, das heißt, es erfolgt in kritischen Betriebszuständen, insbesondere bei kaltem Motor und/oder niedrigen Lasten und Drehzahlen ein Verzicht auf den Vorkammerbetrieb überhaupt.
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In vorteilhafter Weise kann die zuvor erfolgte Ausgestaltung und Verfahrensweise für aktive Vorkammerzündkerzen und deren Betrieb oder für Brennkraftmaschinen, bei denen eine Betriebsweise mit passiven Vorkammerzündkerzen vorgesehen ist, eingesetzt werden, da die Spüleinrichtung sozusagen abschaltbar ist, wenn das erste aktive Rückschlagventil A derart fremdangesteuert wird, dass ein Öffnen (AUF) dauerhaft verhindert wird.
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Es versteht sich, dass die Spüleinrichtung dann wieder zuschaltbar ist, wenn durch die aktive Ansteuerung des aktiven Rückschlagventils A ein Öffnen (AUF) des Rückschlagventils A nur zeitweise, insbesondere im zweiten Zeitintervall, verhindert wird.
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Insofern kann die Spüleinrichtung ohne strukturelle Veränderung/en für alle Betriebsweisen von aktiven oder passiven Vorkammerzündkerzen eingesetzt werden, mit dem Unterschied, dass die „Vorlaufleitung“ I, wie erläutert, insbesondere das erste aktive Rückschlagventil A bei passiven Betriebsweisen (zumindest zeitweise) nicht geöffnet wird, das heißt in der Geschlossenstellung (ZU) bleibt.
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Wie ebenfalls oben erläutert erfolgt beispielsweise optional, dass ein externer Luftstrom mit Kraftstoff versetzt wird, oder es erfolgt eine direkte Kraftstoffeinspritzung in die Vorkammer, insbesondere zusätzlich zur Kraftstoffeinspritzung in ein Saugrohr oder in den Hauptbrennraum 10A.
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Eine ähnliche Option wird bei der Spüleinrichtung gemäß der Erfindung dadurch erreicht, dass der Druckspeicher 30 eine separate Kraftstoffzuführung 40 (schematisch dargestellt) und/oder eine Verbrennungsluftzuführung 50 (schematisch dargestellt) aufweist, über die Kraftstoff und/oder Luft zugeführt werden kann.
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Dadurch besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, dass die in dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 zumindest teilweise verbleibende Spülladung mit Kraftstoff und/oder Luft versetzt ist, wodurch die Zündbedingungen in dem jeweilige Arbeitstakt unabhängig von dem einströmenden Brennstoff-Luft-Gemisch in dem Hauptbrennraum 10A verbessert werden.
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Dritte Ausführungsform:
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Die 4 zeigt eine schematische Darstellung der Vorkammerzündkerze 20, die gemäß einer dritten prinzipiellen Ausführungsform mit dem Druckspeicher 30 fluidverbunden ist.
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Die Spüleinrichtung umfasst in einer dritten Ausführungsform mit Blick auf 4 nur einen einzigen bidirektionalen Fluidleitungspfad, der mit dem Bezugszeichen III bezeichnet wird.
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Im Unterschied zu den zusammengeführten Fluidleitungspfaden I+II zur Bildung einer Einzelleitung gemäß der zweiten Ausführungsform ist der Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 bei der dritten Ausführungsform nur über den Einzel-Fluidleitungspfad III mit dem Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 fluidverbunden.
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Daraus ergibt sich, dass der bidirektionale Einzel-Fluidleitungspfad III sowohl die „Vorlaufleitung“ als auch die „Rücklaufleitung“ bildet beziehungsweise bilden muss.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass somit in den bidirektionalen Einzel-Fluidleitungspfad III eine fremdgesteuerte Absperreinrichtung in der Art eines schnell schaltenden Zwei-Wege-Ventiles C angeordnet wird, welches den bidirektionalen Einzel-Fluidleitungspfad III wechselweise in die eine oder andere Strömungsrichtung freigibt und dadurch entsprechend in die jeweils entgegengesetzte Richtung sperrt.
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Detaillierte Erläuterung der Vorgehensweise gemäß der dritten Ausführungsform:
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Die zuvor beschriebene Funktionsweise ändert sich entsprechend.
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In dem bidirektionalen Einzel-Fluidleitungspfad III ist in der dritten Ausführungsform nur noch das Zwei-Wege-Ventil C angeordnet.
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Bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit der Spüleinrichtung wird in dem ersten Zeitintervall im Kompressionstakt des ersten Arbeitsspiels des in dem Hauptbrennraum 10A verlagerbar angeordneten Kolbens durch das komprimierte Brennstoff-Luft-Gemisch im Hauptbrennraum 10A über den wenigstens einen Überströmkanal 22B vom Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 unverbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch über den bidirektionalen Einzel-Fluidleitungspfad III als „Vorlaufleitung“ in den Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 gedrückt. Das Zwei-Wege-Ventil C öffnet fremdgesteuert und gibt den bidirektionalen Einzel-Fluidleitungspfad III in Richtung Druckspeicher frei (AUF).
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Mit anderen Worten, es wird in vorteilhafter Weise die Verdichtungsarbeit der Brennkraftmaschine benutzt, um den Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 mit unverbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch zu befüllen.
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Das Zwei-Wege-Ventil C bleibt bevorzugt solange in der Offenstellung, bis im Speicherraum 30A des Druckspeichers der Hauptbrennraumdruck p10A in dem Hauptbrennraum 10A beziehungsweise der Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A (p10A = p22A) erreicht ist.
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Ohne weitere Druckmesseinrichtung im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 erreicht somit der Innendruck p30A im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 am Ende des Kompressionstaktes einen Druck, der dem maximalen Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A entspricht. Das Ende des Kompressionstaktes ist zeitlich bekannt, so dass das Zwei-Wege-Ventil C spätestens am Ende des Kompressionstaktes geschlossen (ZU) wird.
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Mit einer Druckmesseinrichtung im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 kann das Schließen (ZU) des Zwei-Wege-Ventils C auch druckabhängig oder zeit- und druckabhängig gesteuert werden.
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Sobald sich das Zwei-Wege-Ventil C in der Geschlossenstellung (ZU) befindet, steht in dem Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 eine Spülmenge bei einem Druck an, der dem maximalen Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A im Kompressionstakt des ersten Arbeitsspiels entspricht. Der vorkammernahe Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 ist somit befüllt.
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Es wird analog zu der bisher erläuterten Funktionsweise dafür gesorgt, dass in dem zweiten Zeitintervall, in dem die Zündung mittels einer Zündeinrichtung 23 in der Vorkammer 22 stattfindet und der Arbeitstakt des ersten Arbeitsspiels stattfindet, das Zwei-Wege-Ventil C ebenfalls nicht öffnet.
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Nach der Zündung innerhalb der Vorkammer 22 steigt der Druck p22A, wie bereits erläutert, in dieser schnell an. Dabei wird die Funkenenergie um mehrere Größenordnungen vervielfacht und mehrere Fackelstrahlen schießen in den Hauptbrennraum 10A. Das führt zu multiplen Zündorten außerhalb der Mitte des Hauptbrennraums 10A und bewirkt generell durch die Vorkammerzündung in vorteilhafter Weise ein schnelles Durchbrennen des Brennstoff-Luft-Gemischs und eine verringerte Klopfneigung bei Ottomotoren.
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Mit anderen Worten, das „erneute“ Öffnen (AUF) des Zwei-Wege-Ventils C ist frühestens erst wieder vorgesehen, wenn in dem nächsten Takt, das heißt im Ausstoßtakt des nächsten Arbeitsspiels, das Restgas zumindest teilweise aus dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 über den Hauptbrennraum 10A über das Auslassventil AV ausgestoßen wird.
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Vorgesehen ist, dass die Spülung der Vorkammer 22 in dem nächsten dritten Zeitintervall durch Öffnen (AUF) des Zwei-Wege-Ventils C erfolgt, wenn der Hauptbrennraumdruck p10A in dem Hauptbrennraum 10A beziehungsweise der gleichzeitig absinkende Druck p22A in dem Vorkammerraum 22A (p10A = p22A) abgesunken ist, so dass die zwischengespeicherte Ladung im Druckspeicher 30 (als zwischengespeicherte Spülladung des frischen Brennstoff-Luft-Gemisches aus dem vorhergehenden Kompressionstakt (erster Zeitintervall) des gleichen Arbeitsspieles) von selbst durch die Druckdifferenz zwischen dem Druck p30A im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 und dem Druck p22A im Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 selbsttätig in die Vorkammer strömt und die Vorkammer 22 spült.
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Dieser Vorgang, das heißt das dritte Zeitintervall, beginnt somit bereits im Ausstoßtakt des ersten Arbeitsspiels durch Öffnen des Auslassventils AV bei geschlossenem Einlassventil EV der Brennkraftmaschine.
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Das dritte Zeitintervall erstreckt sich bis zum nächsten zweiten Arbeitsspiel, welches dem ersten Arbeitsspiel folgt. Auch im Ansaugtakt des zweiten Arbeitsspiels, bei dem bekanntermaßen das Einlassventil EV der Brennkraftmaschine geöffnet und das Auslassventil AV geschlossen wird, liegen noch die druckseitigen „Spülbedingungen“ zum Öffnen (AUF) des Zwei-Wege-Ventils C (im Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 (p10A = p22A < p30A) zwischen Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 und im Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 vor, so dass die zwischengespeicherte Ladung im Druckspeicher 30 als zwischengespeicherte Spülladung aus dem Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 in den Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 strömt und die Vorkammer 22 spülen kann.
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Analog zu den bisherigen Ausführungen kann in vorteilhafter Weise der Aufbau und die Verfahrensweise gemäß der dritten Ausführungsform mit dem in den bidirektionalen Einzel-Fluidleitungspfad III integrierten Zwei-Wege-Ventil C ebenfalls aktive Vorkammerzündkerzen und deren Betrieb oder für Brennkraftmaschine Ausgestaltungen, bei denen eine Betriebsweise mit passiven Vorkammerzündkerzen vorgesehen ist, eingesetzt werden, da die Spüleinrichtung ebenfalls abschaltbar ist, wenn das Zwei-Wege-Ventil C prinzipiell fremdansteuerbar ist. Eine Ansteuerung kann bei Bedarf, insbesondere kritischen Betriebszuständen, die bereits genannt worden sind, unterbleiben, so dass die Spülfunktion ausgesetzt ist.
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Es versteht sich, dass auch die Spüleinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform ebenfalls dadurch gekennzeichnet ist, dass der Druckspeicher 30 eine separate Kraftstoffzuführung 40 (schematisch dargestellt) und/oder eine Verbrennungsluftzuführung 50 (schematisch dargestellt) aufweist, über die Kraftstoff und/oder Luft zugeführt werden kann.
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Ausführungsvarianten in Bezug auf alle Ausführungsformen:
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Der/die Knoten beziehungsweise die Gabelung/en der Fluidleitungspfade I und II, das heißt die Trennung in „Vorlaufleitung“ und „Rücklaufleitung“, erfolgt gemäß den 2 und 3 der zweiten Ausführungsform in der dargestellten Ausführungsvariante erst außerhalb des Grundkörpers 21 der Zündkerze, insbesondere der Vorkammerzündkerze 20. Der Druckspeicher 30 befindet sich ebenfalls außerhalb des Grundkörpers 21 der Zündkerze.
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In einer weiteren Ausführungsvariante (nicht dargestellt) befinden sich der zusammengeführte Fluidleitungspfad I+II und der/die Knoten beziehungsweise die Gabelung/en der Fluidleitungspfade I und II im Grundkörper 21 der Zündkerze, insbesondere der Vorkammerzündkerze 20. Der Druckspeicher 30 befindet sich außerhalb des Grundkörpers 21 der Zündkerze.
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In einer weiteren Ausführungsvariante (nicht dargestellt) befinden sich der zusammengeführte Fluidleitungspfad I+II und der/die Knoten beziehungsweise die Gabelung/en der Fluidleitungspfade I und II und der in den vorhergehenden Ausführungsvarianten außerhalb aber nahe der Zündkerze liegende Druckspeicher 30 jetzt alle gemeinsam im Grundkörper 21 der Zündkerze, insbesondere der Vorkammerzündkerze 20.
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In einer weiteren Ausführungsvariante (nicht dargestellt) befinden sich der zusammengeführte Fluidleitungspfad I+II im Grundkörper 21 der Zündkerze, wobei der/die Knoten beziehungsweise die Gabelung/en der Fluidleitungspfade I und II außerhalb des Grundkörpers 21 aber nahe der Zündkerze angeordnet sind, während die Fluidleitungspfade I und II getrennt voneinander oder der zusammengeführte Fluidleitungspfad I+II und der Druckspeicher 30 im Zylinderkopf 10 der Brennkraftmaschine angeordnet sind.
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In einer weiteren Ausführungsvariante (nicht dargestellt) befinden sich der zusammengeführte Fluidleitungspfad I+II und der/die Knoten beziehungsweise die Gabelung/en der Fluidleitungspfade I und II im Grundkörper 21 der Zündkerze, während nur der Druckspeicher 30 im Zylinderkopf 10 der Brennkraftmaschine angeordnet sind.
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Es versteht sich, dass diese Ausführungsvariante analog für die dritte Ausführungsform gemäß 4 gilt. Kurz ausgeführt kann der bidirektionale Einzel-Fluidleitungspfad III allein (wie dargestellt) im Grundkörper 21 der Zündkerze, insbesondere der Vorkammerzündkerze 20, angeordnet sein. Das Zwei-Wege-Ventil C kann ebenfalls zusätzlich in den Grundkörper 21 der Zündkerze, insbesondere der Vorkammerzündkerze 20, integriert werden. Der Druckspeicher 30 kann ebenfalls in den Grundkörper 21 der Zündkerze, insbesondere der Vorkammerzündkerze 20, integriert werden. Gegebenenfalls wird das Zwei-Wege-Ventil C und ein Teil des bidirektionalen Einzel-Fluidleitungspfades III und der Druckspeicher 30 oder nur ein Teil des Einzel-Fluidleitungspfades III und der Druckspeicher 30 in dem Zylinderkopf 10 der Brennkraftmaschine angeordnet.
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Unterschiede zum Stand der Technik:
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Die erfindungsgemäße Spüleinrichtung beziehungsweise die Spüleinrichtungen gemäß den Ausführungsformen unterscheiden sich vom Stand der Technik, insbesondere der Druckschrift
DE 10 2015 221 286 A1 , dadurch, dass keiner der Fluidleitungspfade I und II, I+II, III gemäß der Erfindung mit dem Hauptbrennraum verbunden ist. In der Druckschrift
DE 10 2015 221 286 A1 wird Abgas aus dem Hauptbrennraum in den Pufferspeicher eingeleitet. Das Abgas wird in dem Pufferspeicher gespeichert. Schließlich wird das Abgas aus dem Pufferspeicher der Vorkammer zugeführt. Bei der Erfindung wird im Unterschied dazu ein prinzipiell anders aufgebautes und funktionierendes Spülungs-Kreislaufsystem zwischen Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 und Speicherraum 30A des Druckspeichers 30 realisiert, wobei keine „Vorlaufleitung“ und keine „Rücklaufleitung“ in der erfindungsgemäßen Art und Weise zwischengeschaltet sind.
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Die Spülung erfolgt erfindungsgemäß mit frischem Brennstoff-Luft-Gemisch, das im Kompressionstakt aus dem Vorkammerraum 22A der Vorkammer 22 entnommen wird. In der Druckschrift
DE 10 2015 221 286 A1 wird die Vorkammer im Unterschied dazu mit gekühltem Restgas aus dem Hauptbrennraum gespült. Bei Integration einiger oder aller Komponenten der Spüleinrichtung beziehungsweise des Spülungs-Kreislaufsystems bildet die erfindungsgemäße Spüleinrichtung der Vorkammerzündkerze 20 ebenfalls im Unterschied zur Spüleinrichtung der Druckschrift
DE 10 2015 221 286 A1 insgesamt oder teilweise einen integralen Bestandteil der Vorkammerzündkerze 20 und kann in vorteilhafter Weise mit ihr verbaut werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 10
- Zylinderkopf
- 10A
- Hauptbrennraum
- p10A
- Hauptbrennraumdruck
- EV
- Einlassventil
- AV
- Auslassventil
- 20
- Vorkammerzündkerze
- 21
- Grundkörper
- 22
- Vorkammer
- 22A
- Vorkammerraum
- p22A
- Druck im Vorkammerraum
- 22B
- Überströmkanal
- 23
- Zündeinrichtung
- 30
- Druckspeicher
- 30A
- Speicherraum
- p30A
- Druck im Speicherraum
- 40
- Kraftstoffzuführung
- 50
- Verbrennungsluftzuführung
- I
- Fluidleitungspfad
- II
- Fluidleitungspfad
- I+II
- zusammengeführter Einzel-Fluidleitungspfad
- III
- Einzel-Fluidleitungspfad
- A
- Rückschlagventil
- B
- Rückschlagventil
- C
- Zwei-Wege-Ventil
- AUF
- Rückschlagventile A/B in Offenstellung
- ZU
- Rückschlagventile A/B in Geschlossenstellung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005017186 A1 [0003]
- DE 102015221286 A1 [0005, 0133, 0134]
- AT 14789 U1 [0008]
