DE102021104627A1 - Verbrennungskraftmaschine mit Zündkerze und Vorkammerzündkerze - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (1), umfassend zumindest einen Zylinder (10), vier Ladungswechselöffnungen (4) pro Zylinder (10), wobei eine erste und eine zweite Ladungswechselöffnung (4) jeweils eine Einlassöffnung (41) ist, und wobei eine dritte und eine vierte Ladungswechselöffnung (4) jeweils eine Auslassöffnung (42) ist, und jeweils eine Zündkerze (2) und eine Vorkammerzündkerze (3) pro Zylinder (10).

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit Zündkerze und Vorkammerzündkerze und ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine.
  • Verbrennungskraftmaschinen mit Vorkammerzündkerzen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Vorkammerzündkerzen umfassen, wie für herkömmliche Zündkerzen bekannt, eine in einem Gehäuse angeordnete Mittelelektrode und eine Masseelektrode, die zwischen sich einen Zündspalt definieren, in dem ein Luft-Brennstoffgemisch entzündet wird. Dieses entzündete Luft-Brennstoffgemisch wird nachfolgend durch Öffnungen in einer am brennraumseitigen Ende der Vorkammer-Zündkerze befindlichen Kerzenkappe in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine geleitet, in der die eigentliche Verbrennung eines Luft-Brennstoffgemischs für den Kolbenhub erfolgt. Beispielsweise zeigt DE 10 2019 205 478 A1 eine solche Vorkammerzündkerze.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich demgegenüber durch eine verbesserte Betriebsweise aus, welche eine besonders hohe Effizienz bei niedriger Klopfneigung und einen zuverlässigen Betrieb in beliebigen Betriebszuständen erlaubt. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Verbrennungskraftmaschine, welche zumindest einen Zylinder umfasst und welche pro Zylinder eine Zündkerze und eine Vorkammerzündkerze umfasst. Ferner umfasst die Verbrennungskraftmaschine vier Ladungswechselöffnungen pro Zylinder. Eine erste Ladungswechselöffnung und eine zweite Ladungswechselöffnung sind dabei jeweils Einlassöffnungen, und eine dritte Ladungswechselöffnung und eine vierte Ladungswechselöffnung sind jeweils Auslassöffnungen.
  • Als „Zündkerze“ wird dabei eine gewöhnliche Zündkerze, insbesondere mit freiliegenden Elektroden angesehen, welche eingerichtet ist, ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels eines elektrischen Zündfunkens zwischen zumindest zwei Elektroden zu entzünden. Besonders bevorzugt weist die Zündkerze eine gerade Mittelelektrode und zumindest eine hakenförmige Stirn- oder Dachelektrode auf. Insbesondere kann eine solche Zündkerze alternativ auch als „Funkenzündkerze“ bezeichnet werden. Alternativ könnte als „Zündkerze“ auch eine Laservorrichtung verwendet werden, welche eingerichtet ist, das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels Laserstrahlung zu entzünden.
  • Als „Vorkammerzündkerze“ wird eine Konstruktion angesehen mit einer innerhalb einer Kerzenkappe ausgebildeten Vorkammer, welche über Durchgangsöffnungen in der Kerzenkappe mit einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine in Fluidverbindung steht. Dadurch wird ein Durchtritt von Gasen aus der Vorkammer durch die Kerzenkappe in den Brennraum und umgekehrt ermöglicht. Vorzugsweise ist die Kerzenkappe an einem, in axialer Richtung der Vorkammerzündkerze betrachteten, brennraumseitigen Ende eines Gehäuses der Vorkammerzündkerze angeordnet. Kerzenkappe, Gehäuse und Vorkammer bilden dabei integrale Bestandteile der Vorkammerzündkerze. Insbesondere befindet sich die Vorkammer somit innerhalb der Vorkammerzündkerze. Innerhalb der Vorkammer erfolgt dabei mittels Elektroden eine Entzündung eines darin befindlichen Kraftstoff-Luft-Gemischs, wobei hierdurch Fackelstrahlen durch die Durchtrittsöffnungen der Kerzenkappe hindurchgehen und das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum zünden. Das heißt, die eigentliche Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum erfolgt mittels der Fackelstrahlen, welche von der Vorkammerzündkerze erzeugt werden. Vorzugsweise ist dabei die Vorkammerzündkerze als integrales Bauteil anzusehen, welches in einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine befestigbar ist. Bevorzugt erfolgt die Befestigung dabei derart, dass in einer Endposition die Durchgangsöffnungen in der Kerzenkappe vordefiniert ausgerichtet sind, um insbesondere gezielt ausgerichtete Fackelstrahlen beim Betrieb zu erzeugen. Beispielsweise kann die Vorkammerzündkerze so ausgebildet sein, dass diese in ein Standard-Gewinde des Zylinderkopfes, welches eine gewöhnliche Zündkerze aufnehmen kann, einschraubbar ist.
  • Die Kombination aus gewöhnlicher Zündkerze und Vorkammerzündkerze bietet dabei den Vorteil einer besonders flexiblen, effizienten und zuverlässigen Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine. Dadurch kann in jedem Betriebszustand, wie beispielsweise Kaltstart, Katalysator-Heizphase, Teillast, Volllast, und dergleichen, stets eine optimale und zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum erfolgen. Vorzugsweise kann ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine so ausgelegt sein, dass die Vorkammerzündkerze im größtmöglichen Betriebsbereich als alleinige Zündmöglichkeit verwendet wird, um insbesondere bei hoher Last eine effektive Klopfreduktion und einen niedrigen Kraftstoffverbrauch zu erzielen. Die Zündkerze kann dabei in Betriebsbereichen, in welchen ein Betrieb der Vorkammerzündkerze nachteilig oder unmöglich ist, beispielsweise bei einem Kaltstart, zusätzlich oder alleinig betrieben werden, um auch in diesen Bereichen eine zuverlässige Zündung zu erzielen. Dadurch ergibt sich der weitere Vorteil, dass die Vorkammerzündkerze speziell auf einen möglichst effizienten Betrieb, beispielsweise für bestimmte Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine hin optimiert werden kann, wobei eine sinkende Effizienz in anderen Betriebspunkten vernachlässigt bzw. in Kauf genommen werden kann, da in diesen Betriebspunkten beispielsweise alleine oder zusätzlich die Zündkerze zur Zündung verwendet werden kann. Zudem können durch die stets optimal anpassbare Zündung für verschiedenste Betriebsbereiche Beschädigungen, beispielsweise aufgrund von Klopfen, Fehlzündungen oder schlechter Verbrennung, an der Verbrennungskraftmaschine vermieden werden und somit eine besonders hohe Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht werden.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Bevorzugt ist die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze an einem Brennraumdach eines Brennraums des Zylinders angeordnet. Insbesondere bildet das Brennraumdach ein, entlang einer Hubrichtung eines Kolbens, oberes Ende des Brennraums. Vorzugsweise ist das Brennraumdach Teil eines Zylinderkopfes der Verbrennungskraftmaschine. Bevorzugt ragen die Vorkammerzündkerze und die Zündkerze in den Brennraum. Vorzugsweise ragen hierbei eine Kerzenkappe der Vorkammerzündkerze und Elektroden der Zündkerze in den Brennraum. Alternativ können brennraumseitige Enden der Vorkammerzündkerze und der Zündkerze auch innerhalb einer jeweiligen Kerzenbohrung, in welcher die entsprechende Vorkammerzündkerze bzw. Zündkerze angeordnet ist, angeordnet sein.
  • Weiter bevorzugt ist die Vorkammerzündkerze näher an einem Mittelpunkt des Brennraumdachs angeordnet als die Zündkerze. Dadurch kann auf einfache Weise eine besonders gleichmäßige Durchdringung des Brennraums mittels der erzeugten Fackelstrahlen zur gleichmäßigen Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erreicht werden. Alternativ bevorzugt ist die Zündkerze näher am Mittelpunkt des Brennraumdachs angeordnet als die Vorkammerzündkerze, um eine besonders effektive und gleichmäßige Zündung mittels der Zündkerze zu erzielen.
  • Bevorzugt ist die Vorkammerzündkerze näher an einer Seitenwand des Zylinders als die Zündkerze angeordnet. Vorzugsweise ist die Vorkammerzündkerze in diesem Fall so ausgebildet und angeordnet, dass mittels der Vorkammerzündkerze bei der Zündung erzeugte Fackelstrahlen in Richtung einer Brennraummitte ausgerichtet sind. Alternativ ist die Zündkerze näher an der Seitenwand des Zylinders als die Vorkammerzündkerze angeordnet. Dadurch steht im Bereich der Brennraumdachmitte mehr Platz für die Vorkammerzündkerze zur Verfügung, um eine hohe Effizienz des Betriebs der Vorkammerzündkerze zu ermöglichen. Als Seitenwand wird dabei eine im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche des Zylinders angesehen, welche auch als Lauffläche des Kolbens bezeichnet werden kann.
  • Besonders bevorzugt ist die Vorkammerzündkerze näher an zumindest einer der beiden Einlassöffnungen, insbesondere näher an beiden Einlassöffnungen, als die Zündkerze angeordnet. Dadurch kann eine besonders gute Zufuhr von frischer Verbrennungsluft zur Vorkammerzündkerze ermöglicht werden um in dessen Betrieb eine optimale Zündung zu ermöglichen. Alternativ bevorzugt ist die Vorkammerzündkerze näher an zumindest einer der beiden Auslassöffnungen, insbesondere näher an beiden Auslassöffnungen, als die Zündkerze angeordnet. In diesem Fall kann die Zündkerze besonders nahe an zumindest einer der Einlassöffnungen angeordnet werden, um eine optimale Frischluftversorgung der Zündkerze zu ermöglichen.
  • Vorzugsweise ist die Zündkerze einlassseitig oder auslassseitig zu der Vorkammerzündkerze angeordnet. Mit einlassseitig oder auslassseitig wird eine Referenzrichtung, welche eine relative Anordnung der Einlassöffnungen und Auslassöffnungen zueinander bzw. am Brennraumdach angibt, angesehen. Insbesondere bedeutet eine einlassseitige Anordnung der Zündkerze zur Vorkammerzündkerze, dass die Zündkerze entlang einer Achse, die sich von den Auslassöffnungen zu den Einlassöffnungen erstreckt, weiter in der zu den Einlassöffnungen zeigenden Richtung angeordnet ist als die Vorkammerzündkerze, d.h. die Zündkerze ist näher an der Einlassöffnung als die Vorkammerzündkerze angeordnet. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Zündkerze auslassseitig der Vorkammerzündkerze angeordnet ist, d.h. die Zündkerze ist näher an der Auslassöffnung als die Vorkammerzündkerze angeordnet. Insbesondere ist in diesem Fall die Vorkammerzündkerze näher an den Einlassöffnungen angeordnet als die Zündkerze. Dadurch kann insbesondere beim Betrieb der Vorkammerzündkerze die durch die Einlassöffnung eintretende Frischluft oder das eintretende Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Nähe der Vorkammerzündkerze besonders gezielt gezündet werden.
  • Weiter bevorzugt sind die Ladungswechselöffnungen im Brennraumdach angeordnet, wobei das Brennraumdachs durch zwei zueinander senkrechte Schnittebenen in vier Quadranten unterteilt ist. Das Brennraumdach ist durch die beiden Schnittebenen derart unterteilt, dass in jedem der vier Quadranten jeweils eine der vier Ladungswechselöffnungen angeordnet ist. Dabei ist die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze, insbesondere im Wesentlichen, auf einer der beiden Schnittebenen angeordnet. Mit anderen Worten liegen die beiden Schnittebenen jeweils mittig zwischen den Ladungswechselöffnungen. Bevorzugt schneiden sich die beiden Schnittebenen in einer Schnittlinie, welche parallel zu einer Kolbenrichtung ist, entlang welcher ein Kolben der Verbrennungskraftmaschine beweglich ist. Mit anderen Worten liegt die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze im Wesentlichen symmetrisch zwischen zwei Ladungswechselöffnungen. Besonders bevorzugt bilden die beiden Schnittebenen Symmetrieebenen des Brennraumdachs. Durch die Anordnung der Zündkerze und/oder der Vorkammerzündkerze auf einer der beiden Schnittebenen kann eine besonders vorteilhafte Anordnung erreicht werden, da hierbei diejenigen Bereiche mit dem größten freien Platzbedarf am Brennraumdach zur Verfügung stehen und zudem eine im Wesentlichen mittige Zündung für eine gleichmäßige Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs ermöglichen.
  • Vorzugsweise ist die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze innerhalb eines Mittelpunktbereichs des Brennraumdachs angeordnet. Der Mittelpunktbereich liegt im Wesentlichen radial innerhalb der Ladungswechselöffnungen, und umgibt insbesondere einen Bereich um einen Mittelpunkt bzw. eine Dachmitte des Brennraumdachs. Besonders bevorzugt ist dabei die Vorkammerzündkerze genau auf einem Mittelpunkt des Brennraumdachs angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Mittelpunktbereich durch einen maximal großen Kreis definiert, welcher mittig zwischen die Ladungswechselöffnungen einbeschrieben ist. Das heißt, die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze liegt bevorzugt zentral am Brennraumdach, wodurch eine besonders symmetrische, gleichmäßige Durchdringung und damit gleichzeitige Entflammung innerhalb des gesamten Brennraums ermöglicht wird. Insbesondere bei einer zentralen Vorkammerzündkerze kann dadurch eine besonders gleichmäßige Durchdringung des Brennraums mit den Fackelstrahlen, welche die Zündung erzielen, und damit eine gleichmäßige und effiziente Verbrennung ermöglicht werden.
  • Besonders bevorzugt ist die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze zwischen zwei benachbarten Ladungswechselöffnungen und der Seitenwand des Zylinders angeordnet. Insbesondere liegt die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze dabei radial außerhalb eines Mittelpunktkreises, auf welchem Mittelpunkte der vier Ladungswechselöffnungen liegen. Mit anderen Worten ist die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze innerhalb einem freien radial äußeren Bereich des Brennraumdachs angeordnet. Insbesondere sind vier derartige radial äußere und freie Bereiche um den Umfang des Brennraumdachs verteilt. Dadurch kann der verfügbare Platz am Brennraumdach besonders vorteilhaft ausgenutzt werden zur Anordnung aller Komponenten. Beispielsweise ist dabei besonders günstig, wenn eine der Zündkerze und Vorkammerzündkerze innerhalb des Mittelpunktbereichs angeordnet ist, und die andere radial außen. Vorzugsweise beträgt hierbei ein Abstand zwischen der Seitenwand des Zylinders und der Zündkerze und/oder ein Abstand zwischen der Seitenwand des Zylinders und der Vorkammerzündkerze maximal 30 %, vorzugsweise maximal 15 %, eines Zylinderradius des Zylinders. Durch die seitliche Anordnung nahe der Seitenwand liegt die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze zudem in einem großen Abstand der Brennraummitte, wodurch beispielsweise eine thermische Belastung niedriger als bei einer mittigen Anordnung ist. Dies wirkt sich vorteilhaft auf eine hohe Lebensdauer der Zündkerze und/oder der Vorkammerzündkerze aus.
  • Bevorzugt umfasst die Verbrennungskraftmaschine ferner einen Brennraum-Kraftstoffinjektor, welcher eingerichtet ist, insbesondere flüssigen oder gasförmigen, Kraftstoff direkt in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen.
  • Vorzugsweise ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor am Brennraumdach angeordnet. Insbesondere befindet sich der Brennraum-Kraftstoffinjektor damit in der Nähe der Vorkammerzündkerze und/oder der Zündkerze, um ein gleichmäßiges, vorzugsweise an der Lage der Vorkammerzündkerze und/oder Zündkerze ausgerichtetes, Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen für eine homogene gleichmäßige Entflammung.
  • Besonders bevorzugt ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor zwischen zwei benachbarten Ladungswechselöffnungen und der Seitenwand des Zylinders angeordnet. Insbesondere liegt der Brennraum-Kraftstoffinjektor radial außerhalb eines Mittelpunktkreises, auf welchem Mittelpunkte der vier Ladungswechselöffnungen liegen. Mit anderen Worten ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor innerhalb einem freien radial äußeren Bereich des Brennraumdachs angeordnet. Insbesondere ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor hierbei eingerichtet, den Kraftstoff in Richtung einer Mitte des Brennraums einzuspritzen, um eine gleichmäßige Verteilung und Entflammung zu erhalten. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Anordnung des Brennraum-Kraftstoffinjektors zwischen den beiden Einlassöffnungen und der Seitenwand des Zylinders, um eine optimale gleichmäßige Gemischbildung vor der Verbrennung zu begünstigen. Zudem bewirkt die seitliche Anordnung eine größere Distanz des Brennraum-Kraftstoffinjektors zur Brennraummitte, was sich vorteilhaft auf eine niedrigere thermische Belastung des Brennraum-Kraftstoffinjektors auswirken kann, um eine hohe Lebensdauer zu ermöglichen.
  • Bevorzugt beträgt ein Abstand zwischen den Brennraum-Kraftstoffinjektor und der Seitenwand des Zylinders maximal 30 %, besonders bevorzugt maximal 15 %, des Zylinderradius. Mit anderen Worten befindet sich der Brennraum-Kraftstoffinjektor vorzugsweise nahe an der Seitenwand, ist also nicht zentral, sondern seitlich am Brennraumdach angeordnet. Vorzugsweise ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor in diesem Fall schräg ausgerichtet, sodass eine Einspritzrichtung des einzuspritzenden Kraftstoffs in Richtung der Brennraummitte ausgerichtet ist. Durch die seitliche Anordnung des Brennraum-Kraftstoffinjektors kann eine besonders platzsparende Anordnung am Brennraumdach ermöglicht werden, wodurch insbesondere im zentralen Bereich des Brennraumdaches mehr Platz für die Anordnung der Zündkerze und/oder der Vorkammerzündkerze zur Verfügung steht.
  • Besonders bevorzugt sind der Brennraum-Kraftstoffinjektor und die Vorkammerzündkerze auf gegenüberliegenden Seiten des Brennraumdachs angeordnet. Alternativ oder zusätzlich sind vorzugsweise der Brennraum-Kraftstoffinjektor und die Zündkerze auf gegenüberliegenden Seiten des Brennraumdaches angeordnet. Insbesondere wird als gegenüberliegend dabei eine bezüglich eines Mittelpunkts des Brennraumdaches gegenüberliegende Anordnung angesehen. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Ausnutzung des für die Anordnung der Komponenten am Brennraumdach zur Verfügung stehenden freien Platzes ermöglicht werden.
  • Bevorzugt ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor innerhalb eines Mittelpunktbereichs des Brennraumdaches angeordnet, wobei der Mittelpunktbereich radial innerhalb der Ladungswechselöffnungen liegt. Besonders bevorzugt ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor genau auf einem Mittelpunkt des Brennraumdachs angeordnet. Durch eine zentrale Anordnung des Brennraum-Kraftstoffinjektors am Brennraumdachs kann eine besonders gleichmäßige, vorzugsweise symmetrische, Einspritzung in den Brennraum erfolgen, um eine besonders gleichmäßige Kraftstoff-Verteilung im Brennraum und eine effiziente Verbrennung zu ermöglichen.
  • Besonders bevorzugt ist die Vorkammerzündkerze näher am Brennraum-Kraftstoffinjektor als die Zündkerze angeordnet. Eine derartige Anordnung von Brennraum-Kraftstoffinjektor und Vorkammerzündkerze nahe beieinander wirkt sich besonders vorteilhaft auf einen effizienten und zuverlässigen Betrieb der Vorkammerzündkerze aus. Die Nähe zwischen Brennraum-Kraftstoffinjektor und Vorkammerzündkerze bewirken eine verbesserte Spülung und Gemischversorgung der Vorkammer der Vorkammerzündkerze. Alternativ bevorzugt ist die Zündkerze näher am Brennraum-Kraftstoffinjektor als die Vorkammerzündkerze angeordnet. In diesem Fall kann eine besonders gute Gemischversorgung im Bereich der Zündkerze bereitgestellt werden. Eine solche Anordnung von Brennraum-Kraftstoffinjektor und Zündkerze nahe beieinander erlaubt beispielsweise einen besonders robusten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine während eines Katalysator-Heizens.
  • Vorzugsweise sind der Brennraum-Kraftstoffinjektor und die Vorkammerzündkerze in einem Abstand von maximal 50 %, insbesondere maximal 30 %, vorzugsweise maximal 10 %, eines Zylinderradius des Zylinders angeordnet.
  • Bevorzugt sind der Brennraum-Kraftstoffinjektor und die Zündkerze in einem Abstand von maximal 50 %, insbesondere maximal 30 %, vorzugsweise maximal 10 %, des Zylinderradius des Zylinders angeordnet.
  • Besonders bevorzugt ist eine Einspritzrichtung, also eine Richtung, entlang welcher im Wesentlichen der Kraftstoff eingespritzt wird, des Brennraum-Kraftstoffinjektors in Richtung der Vorkammerzündkerze ausgerichtet, insbesondere auf eine Kerzenkappe der Vorkammerzündkerze. Dadurch kann eine besonders gute Spülung und Gemischversorgung der Vorkammer der Vorkammerzündkerze erreicht werden. Alternativ bevorzugt ist die Einspritzrichtung im Wesentlichen in Richtung der Zündkerze ausgerichtet.
  • Vorzugsweise umfasst die Verbrennungskraftmaschine ferner einen Saugrohr-Kraftstoffinjektor, welcher eingerichtet ist zur Einspritzung von Kraftstoff in ein Saugrohr der Verbrennungskraftmaschine, Insbesondere umfasst die Verbrennungskraftmaschine zwei Saugrohre mit jeweils einem Saugrohr-Kraftstoffinjektor, wobei jedes Saugrohr an einer der beiden Einlassöffnungen in den Brennraum mündet. Alternativ kann die Verbrennungskraftmaschine auch genau einen Saugrohr-Kraftstoffinjektor umfassen, welcher eingerichtet ist zur Einspritzung von Kraftstoff in beide Saugrohre weiter alternativ kann die Verbrennungskraftmaschine genau einen Saugrohr-Kraftstoffinjektor umfassen, welcher eingerichtet ist, Kraftstoff in einen gemeinsamen Saugrohr-Abschnitt einzuspritzen, wobei der Saugrohr-Abschnitt sich in Richtung des Brennraums in die beiden Saugrohre teilt. Der Saugrohr-Kraftstoffinjektor ist vorteilhafterweise alternativ zu einem am Brennraum angeordneten direkt einspritzenden Brennraum-Kraftstoffinjektor vorgesehen. Dadurch steht am Brennraumdach besonders viel Platz für die Zündkerze und die Vorkammerzündkerze zur Verfügung für eine jeweilige optimale Anordnung.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, welche zumindest einen Zylinder und pro Zylinder vier Ladungswechselöffnungen, eine Zündkerze und eine Vorkammerzündkerze aufweist. Die Zündkerze und/oder die Vorkammerzündkerze wird dabei betrieben, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb des Brennraum des Zylinders zu entzünden. Das heißt, es kann während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine ein gleichzeitiger Betrieb sowohl von der Vorkammerzündkerze und der Zündkerze, als auch alternativ ein Betrieb der Zündkerze oder der Vorkammerzündkerze alleine erfolgen, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum des Zylinders zu entzünden. Dadurch kann ein besonders flexibler und effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht werden.
  • Bevorzugt wird die Vorkammerzündkerze während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine unter hoher Last alleine betrieben, insbesondere während die Zündkerze inaktiv ist. Vorzugsweise wird als hohe Last ein Betrieb bei einem Moment von mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 50 %, besonders bevorzugt mindestens 80 %, eines Nenndrehmoments der Verbrennungskraftmaschine angesehen. Vorzugsweise kann diese Drehmomentschwelle abhängig sein von einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, oder weiteren Kennzahlen, wie einer Lambdazahl, Steuerzeiten von Ventilen, einer Motortemperatur, oder dergleichen. Durch den alleinigen Betrieb der Vorkammerzündkerze bei hoher Last kann ein besonders effizienter Betrieb sowie eine effektive Verringerung der Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden.
  • Weiter bevorzugt wird die Zündkerze während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine unter niedriger Last alleine betrieben, insbesondere während die Vorkammerzündkerze inaktiv ist. Vorzugsweise wird als niedrige Last ein Betrieb bei einem Drehmoment von weniger als 80 %, bevorzugt weniger als 50 %, besonders bevorzugt weniger als 20 %, eines Nenndrehmoments der Verbrennungskraftmaschine angesehen. Dadurch kann auch bei niedriger Last eine zuverlässige Zündung mittels der Zündkerze ermöglicht werden.
  • Besonders bevorzugt wird die Zündkerze während einer Katalysator-Heizphase, insbesondere nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, betrieben. Vorzugsweise erfolgt während der Katalysator-Heizphase ein alleiniger Betrieb der Zündkerze, insbesondere während die Vorkammerzündkerze inaktiv ist. Dadurch kann nach dem Kaltstart, wo beispielsweise noch keine optimalen Bedingungen für den Betrieb der Vorkammerzündkerze vorliegen, zuverlässig eine optimale Zündung des Kraftstoff-Luft Gemischs sichergestellt werden.
  • Bevorzugt erfolgt ein alleiniger Betrieb der Zündkerze bei niedrigen Motortemperaturen der Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise bei Motortemperaturen von maximal 323 K, insbesondere maximal 303 K, besonders bevorzugt maximal 293 K. Als Motortemperatur kann beispielsweise eine Temperatur eines Kühlmittels der Verbrennungskraftmaschine ermittelt werden, um eine besonders einfache Bestimmung zu erhalten. Alternativ kann auch bei derartigen niedrigen Temperaturen ein kombinierter Betrieb von Zündkerze und Vorkammerzündkerze gleichzeitig erfolgen.
  • Weiter bevorzugt erfolgt ein alleiniger Betrieb der Zündkerze während eines Wiederanbrennens der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere nach Schubphasen, also nach einem Schleppbetrieb der Verbrennungskraftmaschine durch das Fahrzeug, und vorzugsweise bei sehr niedrigen Lasten. Alternativ kann während eines solchen Wiederanbrennens der Verbrennungskraftmaschine auch ein kombinierter Betrieb von Zündkerze und Vorkammerzündkerze gleichzeitig erfolgen.
  • Vorzugsweise werden die Zündkerze und die Vorkammerzündkerze mit unterschiedlichen, vorzugsweise voneinander unabhängigen, Zündzeitpunkten, insbesondere innerhalb eines einzelnen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine, betrieben. Beispielsweise kann die Zündkerze, vorzugsweise bei hoher Last, ausschließlich während eines Ausstoßtakts betrieben werden, wobei vorzugsweise nur die Vorkammerzündkerze zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs verwendet wird. Dadurch kann je nach Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine jeweils eine optimale, vollständige und effiziente Verbrennung ermöglicht werden.
  • Besonders bevorzugt wird die Verbrennungskraftmaschine zumindest innerhalb eines Teil-Betriebsbereichs mit einer Lambdazahl von mindestens 1 betrieben. Besonders bevorzugt wird innerhalb dieses Teil-Betriebsbereichs die Vorkammerzündkerze betrieben. Vorzugsweise kann die Zündkerze innerhalb dieses Teil-Betriebsbereichs inaktiv sein. Alternativ kann jedoch auch ein kombinierter Betrieb von Zündkerze und Vorkammerzündkerze erfolgen. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann innerhalb dieses Teil-Betriebsbereichs ein alleiniger Betrieb der Zündkerze erfolgen, das heißt, während die Vorkammerzündkerze inaktiv ist. Besonders bevorzugt beträgt die Lambdazahl innerhalb zumindest eines Teil-Betriebsbereichs der Verbrennungskraftmaschine mindestens 1,05. Das heißt, in diesem Fall wird die Verbrennungskraftmaschine innerhalb des Teil-Betriebsbereichs mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch, betrieben. Vorzugsweise wird während des mageren Betriebs die Vorkammerzündkerze und/oder Zündkerze betrieben. Dadurch kann ein besonders kraftstoffsparender Betrieb ermöglicht werden, wobei insbesondere durch die Vorkammerzündkerze eine zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs unter geringer Klopfneigung ermöglicht wird.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • 1 eine Schnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 2 vereinfachte schematische Detailansichten verschiedener bevorzugter Konfigurationen der Verbrennungskraftmaschine der 1,
    • 3 vereinfachte schematische Detailansichten weiterer bevorzugter Konfigurationen der Verbrennungskraftmaschine der 1,
    • 4 eine Schnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
    • 5 vereinfachte schematische Detailansichten verschiedener bevorzugter Konfigurationen der Verbrennungskraftmaschine der 4.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Verbrennungskraftmaschine 1 umfasst mehrere Zylinder 10, wobei in der 1 nur einer der Zylinder 10 dargestellt ist. Der Zylinder 10 weist einen Brennraum 5 auf, welcher an dessen oberen Ende durch ein Brennraumdach 50 begrenzt ist. Das Brennraumdach 50 wird durch einen Zylinderkopf 15 der Verbrennungskraftmaschine 1 gebildet. Das Brennraumdach 50 ist bevorzugt konisch, oder sich nach oben hin verjüngend ausgebildet, wobei eine Dachspitze insbesondere im Mittelpunkt 54 (vgl. 2) des Brennraumdachs 50 bildet. Der Mittelpunkt 54 liegt dabei mittig, insbesondere auf einer zentralen Achse 12, des, vorzugsweise kreisrunden, Zylinders 10.
  • Pro Zylinder 10 umfasst die Verbrennungskraftmaschine 1 vier Ladungswechselöffnungen 4 (vgl. auch 2). Eine erste und eine zweite Ladungswechselöffnung 4 bilden dabei jeweils eine Einlassöffnung 41, über welche Frischluft in den Brennraum 5 einströmen kann. Eine dritte und eine vierte Ladungswechselöffnung 4 bilden jeweils eine Auslassöffnung 42, über welche Abgase nach der Verbrennung aus dem Brennraum 5 ausströmen können.
  • Weiterhin umfasst die Verbrennungskraftmaschine 1 pro Zylinder 10 einen Brennraum-Kraftstoffinjektor 6, welcher eingerichtet ist, um flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff direkt in den Brennraum 5 einzuspritzen. Der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 ragt dabei geringfügig in den Brennraum 5 hinein. Alternativ kann der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 auch innerhalb eine Injektorbohrung 60, in welcher dieser angeordnet ist, zurückgezogen angeordnet sein.
  • Zudem umfasst, die Verbrennungskraftmaschine 1 pro Zylinder 10 eine Zündkerze 2 und eine Vorkammerzündkerze 3.
  • Die Zündkerze 2 ist eine gewöhnliche Zündkerze, welche eingerichtet ist, ein im Brennraum 5 befindliches Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels eines elektrischen Funkens zu zünden. Hierfür kann die Zündkerze 2 eine Mittelelektrode 21 und eine seitliche, hakenförmige Stirnelektrode 22, welche insbesondere die Masseelektrode bildet, aufweisen. Der Zündfunke kann zwischen den beiden Elektroden 21, 22 erzeugt werden. Die Zündkerze 2 kann wie in der 1 dargestellt in einer Bohrung 20 innerhalb des Zylinderkopfes 15 angeordnet sein, wobei die Bohrung 20 in den Brennraum 5 mündet. Alternativ kann die Zündkerze 2 auch in den Brennraum 5 ragen.
  • Die Vorkammerzündkerze 3 weist eine Kerzenkappe 32 auf, die an einem axialen Ende eines Gehäuses 34 der Vorkammerzündkerze 3 angeordnet ist. Die Kerzenkappe 32 bildet dabei eine Vorkammer 35 innerhalb der Vorkammerzündkerze 3, wobei die Vorkammer 35 über (nicht dargestellte) Durchgangsöffnungen, welche die Kerzenkappe 32 durchdringen, mit dem Brennraum 5 in Verbindung steht. Mittels Elektroden 31 kann ein Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb der Vorkammer 35 gezündet werden, sodass durch die Durchgangsöffnungen mehrere, vorzugsweise vier, Fackelstrahlen 30 (vgl. 2, 3 oder 5; schematisch dargestellt als keulenförmige von der Vorkammerzündkerze 3 ausgehende Strahlen), insbesondere Form von Flammen, sich in den Brennraum 5 ausbreiten, um das dortige Kraftstoff-Luft-Gemisch zu entzünden. Die Vorkammerzündkerze 3 ist in eine Bohrung 33 im Zylinderkopf 15 eingeschraubt. Die Vorkammerzündkerze 3 ist dabei so eingeschraubt, dass die Kerzenkappe 32 in den Brennraum 5 hineinragt.
  • Die Vorkammerzündkerze 3 ist dabei optimiert für einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 unter hoher Last und während die Verbrennungskraftmaschine 1 mit einem stöchiometrischen oder mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird. Durch die spezielle Zündweise der Vorkammerzündkerze 3 kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch dabei zuverlässig und bei geringer Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine 1 entzündet werden. Dadurch kann ein besonders kraftstoffsparender Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 ohne Gefahr der Beschädigung durch Klopfen ermöglicht werden kann.
  • Die Zündkerze 2 wird insbesondere nach einem Kaltstart, während eines Katalysator-Heizbetriebs und bei niedrigen Lasten betrieben, um auch in diesen Betriebsbereichen eine zuverlässige Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum 5 zu ermöglichen.
  • In den 2 und 3 sind mehrere bevorzugte Varianten für Anordnungen von Brennraum-Kraftstoffinjektor 6, Zündkerze 2 und Vorkammerzündkerze 3 am Brennraumdach 50 vereinfacht schematisch dargestellt, welche nachfolgend beschrieben werden. Dargestellt ist dabei jeweils eine Draufsicht auf das Brennraumdach 50 entlang einer Kolbenrichtung, entlang welcher sich ein (nicht dargestellter) Kolben der Verbrennungskraftmaschine 1 bewegen kann. Die Kolbenrichtung ist parallel zur zentralen Achse 12 des Zylinders 10.
  • Wie in den 2 und 3 zu erkennen, weisen alle vier Ladungswechselöffnungen 4 einen identischen Querschnitt auf. Alternativ könnten die Einlassöffnungen 41 und die Auslassöffnungen 42 auch unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Besonders bevorzugt könnten die Einlassöffnungen 41 jeweils größere Querschnitte als die Auslassöffnungen 42 aufweisen. Alternativ könnten die Auslassöffnungen 42 jeweils größere Querschnitte als die Einlassöffnungen 41 aufweisen. Die Ladungswechselöffnungen 4 sind jeweils kreisrund ausgebildet, und so in das Brennraumdach 50 einbeschrieben, dass ein maximaler Gesamtquerschnitt für den Ladungswechsel zur Verfügung steht. Alternativ könnten die Ladungswechselöffnungen 4 auch kleiner sein.
  • Zur vereinfachten Beschreibung der Lage der Elemente am Brennraumdach 50 sind zwei zueinander senkrechte und zur Kolbenrichtung parallele Schnittebenen 51, 52 eingezeichnet. Die beiden Schnittebenen 51, 52 unterteilen das Brennraumdach 50 dabei in vier Quadranten 55, 56, 57, 58, derart, dass in jedem Quadranten 55, 56, 57, 58 jeweils eine der vier Ladungswechselöffnungen 4 liegt. Insbesondere können die beiden Schnittebenen 51, 52 auch als Symmetrieebenen des Brennraumdachs 50 angesehen werden. Wie in den 2, 3 und 5 zu erkennen, liegen die am Brennraumdach 50 angeordneten Bauteile Zündkerze 2, Vorkammerzündkerze 3 und Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 jeweils im Wesentlichen auf einer der beiden Schnittebenen 51, 52, da hier das größte Platzangebot für diese Bauteile ist.
  • 2 zeigt Varianten von Anordnungen der Bauteile im Brennraumdach 50 mit einer zentralen Lage des Brennraum-Kraftstoffinjektors 6. Als zentrale Lage wird dabei eine Anordnung innerhalb eines Mittelpunktbereichs 53, welcher einen Mittelpunkt 54 des Brennraumdachs 50 umgibt und im Wesentlichen radial innerhalb der Ladungswechselöffnungen 4 liegt, angesehen. Durch die zentrale Lage des Brennraum-Kraftstoffinjektors 6 kann eine besonders gleichmäßige Verteilung des eingespritzten Kraftstoff-Sprays im Brennraum 5 erreicht werden.
  • In allen in 2 gezeigten Varianten befindet sich der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 einlassseitig des Mittelpunkts 54, das heißt, näher an den beiden Einlassöffnungen 41 als an den Auslassöffnungen 42. Im Detail befindet sich der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 vollständig innerhalb der beiden einlassseitigen Quadranten 55, 58. Dadurch ist innerhalb des Mittelpunktbereichs 53 Platz für ein weiteres Bauteil, nämlich die Zündkerze 2 oder die Vorkammerzündkerze 3.
  • Ferner weist das Brennraumdach 50 vier Seitenbereiche 59 auf, welche jeweils zwischen zwei benachbarten Ladungswechselöffnungen 4 und einer Seitenwand 11 des Zylinders 10 angeordnet sind, und innerhalb welchen Bauteile angeordnet werden können.
  • 2(a) zeigt eine Anordnung mit der Vorkammerzündkerze 3 innerhalb des Mittelpunktbereichs 53. Dadurch kann eine möglichst mittige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels der Vorkammerzündkerze 3 erzielt werden, wodurch eine besonders gleichmäßige Durchdringung des Brennraum 5 mittels der Fackelstrahlen 30 und damit eine besonders gleichmäßige Entflammung im Brennraum 5 erzielt werden kann. Zudem kann hierdurch ein Abstand 36 zwischen Vorkammerzündkerze 3 und Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 minimal gehalten werden, was sich vorteilhaft auf eine Spülung und Gemischversorgung der Vorkammer 35 auswirkt.
  • Die Vorkammerzündkerze 3 ist dabei so ausgebildet und angeordnet, dass bei dessen Betrieb erzeugte Fackelstrahlen 30 im Wesentlichen gleichmäßig in Richtung jeder der vier Ladungswechselöffnungen 4 ausgerichtet sind. Dabei sei angemerkt, dass die Ausrichtung der Fackelstrahlen 30 in den Figuren nur beispielhaft dargestellt ist. Vielmehr ist eine beliebige Ausrichtung der Fackelstrahlen 30 möglich. Beispielsweise ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zumindest einer der Fackelstrahlen 30 parallel zu einer der Schnittebenen 51, 52 ausgerichtet, vorzugsweise wenn sich die Vorkammerzündkerze 3 auf einer dieser Schnittebenen 51, 52 befindet. Besonders vorteilhaft, wenn immer mindestens einer der Fackelstrahlen 30 in Richtung der Einlassseite des Brennraums 5, das heißt in Richtung einer der Einlassöffnung in 41 ausgerichtet ist.
  • Die Anordnung der 2(a) bietet durch die Nähe von Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 und Vorkammerzündkerze 3 zudem eine besonders effiziente Betriebsweise der Verbrennungskraftmaschine 1 beim Betrieb der Vorkammerzündkerze 3, da das erzeugte Spray besonders gezielt und zuverlässig durch die Fackelstrahlen 30 gezündet werden kann. Zudem kann durch die Nähe von Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 und Vorkammerzündkerze 3 eine effektive Spülung der Vorkammer 35 der Vorkammerzündkerze 3 und eine optimale Gemischversorgung erreicht werden, was sich besonders vorteilhaft auf einen robusten und effektiven Betrieb der Vorkammerzündkerze 3 auswirkt.
  • Die Zündkerze 2 ist in der Variante der 2(a) seitlich, nahe an der Seitenwand 11 des Zylinders 10 angeordnet. Im Detail ist die Zündkerze 2 im einlassseitigen Seitenbereich 59 angeordnet, welcher in den beiden einlassseitigen Quadranten 55, 58 liegt, also nahe an den beiden Einlassöffnungen 41. Dadurch kann beim Betrieb der Zündkerze 2 eine gute Frischluftversorgung im Bereich der Zündkerze 2 bereitgestellt werden.
  • 2(b) zeigt eine Anordnung, welche im Wesentlichen der Anordnung der 2(a) entspricht, mit dem Unterschied, dass die Zündkerze 2 im auslassseitigen Seitenbereich 59, also nahe an den beiden Auslassöffnungen 42 angeordnet ist. Dadurch kann beispielsweise der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 mehr in Richtung der Auslassöffnungen 42 ausgerichtet sein, um das Kraftstoff-Spray nahe an die Kerze 3 und die Zündkerze 2 zu bringen.
  • 2(c) zeigt eine Anordnung ähnlich der 2(a), wobei die Positionen von Zündkerze 2 und Vorkammerzündkerze 3 vertauscht sind. Das heißt, die Zündkerze 2 ist im Mittelpunktbereich 53 nahe am Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 angeordnet und die Vorkammerzündkerze 3 ist einlassseitig nahe an der Seitenwand 11 angeordnet. Durch die zentrale Anordnung der Zündkerze 2 nahe am Mittelpunkt 54 und nahe am Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 kann dabei ein besonders robuster und effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine während der Zündung mittels der Zündkerze 2, vorzugsweise bei niedrigen Lasten und/oder während einer Katalysator-Heizphase, ermöglicht werden.
  • Die Vorkammerzündkerze 3 ist dabei so ausgebildet und angeordnet, dass die Fackelstrahlen 30 in Richtung Brennraumdach-Mitte ausgerichtet sind. Dadurch kann auch bei alleinigen Betrieb der Vorkammerzündkerze 3 beispielsweise in mittleren oder hohen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine 1 ein besonders kraftstoffsparender Betrieb ermöglicht werden. Zudem bietet die seitliche Anordnung der Vorkammerzündkerze 3 durch die Ferne zur Mitte des Brennraums 5 den Vorteil, dass geringere Temperaturen auf die Kerzenkappe 32 einwirken und damit eine niedrigere Belastung und eine höhere Lebensdauer der Vorkammerzündkerze 3 ermöglicht werden können.
  • 2(d) zeigt eine Anordnung, welche im Wesentlichen der Anordnung der 2(c) entspricht, mit dem Unterschied, dass die Vorkammerzündkerze 3 im auslassseitigen Seitenbereich 59, das heißt, auslassseitig von Zündkerze 2 und Brennraum-Kraftstoffinjektor 6, angeordnet ist. In diesem Fall sind die Fackelstrahlen 30, welche die Vorkammerzündkerze 3 erzeugt, in Richtung der Einlassöffnungen 41 ausgerichtet.
  • 2(e) zeigt eine Anordnung ähnlich der 2(a) und (b) mit zentraler Vorkammerzündkerze 3, wobei die Zündkerze 2 in einem auf der zweiten Schnittebene 52 liegenden Seitenbereich 59 angeordnet ist. In diesem Fall liegt der Seitenbereich 59 in einem der beiden einlassseitigen Quadranten 55, 58 und einem der beiden auslassseitigen Quadranten 56, 57. Dadurch kann eine besonders vorteilhafte Einbaulage der Zündkerze 2 im Zylinderkopf 15 bereitgestellt werden, da die mit den Einlassöffnungen 41 und Auslassöffnungen 42 verbundenen Saugrohre und Abgasrohre häufig voneinander weg weisen innerhalb des Zylinderkopfes 15. Alternativ zu der in 2(e) gezeigten Lage im rechten Seitenbereich 59 der Quadranten 55 und 56 kann die Zündkerze 2 auch im linken Seitenbereich 59 der Quadranten 57 und 58 angeordnet sein.
  • 3 zeigt Varianten, in welchen der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 seitlich am Brennraumdach 50, nämlich im einlassseitigen Seitenbereich 59, angeordnet ist. Dabei ist der Brennraum-Kraftstoffinjektor 6 in geringem Abstand 61 zur Seitenwand 11 angeordnet. Durch die seitliche Anordnung des Brennraum-Kraftstoffinjektors 6 steht dabei im zentralen Mittelpunktbereich 53 des Brennraumdachs 50 um den Mittelpunkt 54 viel Platz für die Zündkerze 2 und die Vorkammerzündkerze 3 zur Verfügung, sodass diese beide möglichst zentral für eine verbesserte gleichmäßige Entflammung angeordnet werden können. Eine Einspritzrichtung des Brennraum-Kraftstoffinjektors 6 ist dabei in Richtung Brennraummitte ausgerichtet, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Kraftstoff-Sprays im Brennraum 5 zu erzielen.
  • In 3(a) und in 3(b) sind dabei Varianten gezeigt, in welchen jeweils die Zündkerze 2 und auch die Vorkammerzündkerze 3 innerhalb des Mittelpunktbereichs 53 angeordnet sind. Dadurch liegen sowohl die Zündkerze 2 als auch die Vorkammerzündkerze 3 möglichst nahe am Mittelpunkt 54 des Brennraumdachs 50, wodurch für beide ein optimaler Betrieb mit möglichst zentraler gleichmäßiger Entflammung ermöglicht wird. Die 3(a) zeigt dabei eine Variante, in welcher die Zündkerze 2 einlassseitig der Vorkammerzündkerze 3 angeordnet ist, wobei in 3(b) eine Variante dargestellt ist, in welcher die Zündkerze 2 auslassseitig der Vorkammerzündkerze 3 angeordnet ist.
  • In 3(c) und in 3 (d) sind ferner Varianten gezeigt, in welchen die Zündkerze 2 zentral angeordnet ist und die Vorkammerzündkerze 3 seitlich am Brennraumdach 50 angeordnet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn im Mittelpunktbereich 53 nicht genügend Platz für sowohl die Zündkerze 2 als auch die Vorkammerzündkerze 3 ist. Dabei ist die Zündkerze 2 in beiden Varianten jeweils genau im Mittelpunkt 54 des Brennraumdachs 50 angeordnet, wodurch ein besonders robuster Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 beim Betrieb der Zündkerze 2, beispielsweise während einer Katalysator-Heizphase, ermöglicht.
  • In 3(c) ist die Vorkammerzündkerze 3 dabei im linken Seitenbereich 59 angeordnet, welcher zwischen der Seitenwand 11 und jeweils einer der Einlassöffnungen 41 und einer der Auslassöffnungen 42 liegt.
  • 3(d) zeigt ferner eine Variante, in welcher die Vorkammerzündkerze 3 im auslassseitigen Seitenbereich 59 angeordnet ist, also nahe an den beiden Auslassöffnungen 42.
  • Es sei angemerkt, dass alternativ zu den in 3(c) und in 3 (d) dargestellten Varianten auch eine Anordnung der Vorkammerzündkerze 3 in jedem anderen der Seitenbereiche 59 möglich ist.
  • In 3(e) ist zudem eine Variante dargestellt, in welcher die Vorkammerzündkerze 3 zentral, also genau im Mittelpunkt 54 des Brennraumdachs 50 angeordnet ist. Dadurch kann beim Betrieb der Vorkammerzündkerze 3 eine besonders gleichmäßige, symmetrische Entflammung im Brennraum 5 ermöglicht werden. Die Zündkerze 2 ist in diesem Fall im rechten Seitenbereich 59, also zwischen der Seitenwand 11, einer der beiden Einlassöffnungen 41 und einer der beiden Auslassöffnungen 42, angeordnet. Alternativ ist auch eine Anordnung der Zündkerze in jedem anderen der Seitenbereiche 59 möglich.
  • In 4 ist eine Schnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 bis 3, mit dem Unterschied, dass anstatt eines im Brennraumdach 50 angeordneten und direkt einspritzenden Brennraum-Kraftstoffinjektors 6 ein Saugrohr-Kraftstoffinjektor 7 vorgesehen ist. Der Saugrohr-Kraftstoffinjektor 7 ist im Zylinderkopf 15 und an einem Saugrohr 70 angeordnet und eingerichtet, um flüssigen oder gasförmigen Kraftstoff in das Saugrohr 70 einzuspritzen. Das Saugrohr 7 mündet dabei an der Einlassöffnung 41 in den Brennraum 5 und leitet somit das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum 5. Insbesondere ist dabei pro Einlassöffnung 41 jeweils ein Saugrohr 70 vorgesehen, wobei an jedem Saugrohr 70 jeweils ein Saugrohr-Kraftstoffinjektor 7 vorgesehen ist (nicht dargestellt).
  • 5 zeigt Varianten der Anordnungen von Zündkerze 2 und Vorkammerzündkerze 3 am Brennraumdach 50 der Verbrennungskraftmaschine 1 des zweiten Ausführungsbeispiels der 4. Da im zweiten Ausführungsbeispiel kein Kraftstoff-Injektor am Brennraumdach 50 angeordnet ist, steht vorteilhafterweise mehr Platz für die Zündkerze 2 und die Vorkammerzündkerze 3 zur Verfügung. Die Anordnungen der 5 sind dabei ähnlich der 3, wodurch sich im Wesentlichen dieselben Vorteile ergeben.
  • Besonders bevorzugt können die Zündkerze 2 und die Vorkammerzündkerze 3 beide im Mittelpunktbereich 53 angeordnet sein. Diese Anordnung ist in den Varianten der 5(a) und (b) dargestellt, wobei in 5 (a) die Zündkerze 2 einlassseitig der Vorkammerzündkerze 3 angeordnet ist, und in 5 (b) die Zündkerze 2 auslassseitig der Vorkammerzündkerze 3 angeordnet ist.
  • 5(c) und 5 (d) zeigen ferner Varianten mit einer zentralen Zündkerze 2, welche genau im Mittelpunkt 54 des Brennraumdachs 50 angeordnet ist.
  • In 5(c) ist die Vorkammerzündkerze 3 dabei im linken Seitenbereich 59 angeordnet, und in der 5(d) im auslassseitigen Seitenbereich 59.
  • In 5(e) ist zudem eine Variante mit zentraler, genau im Mittelpunkt 54 angeordneter, Vorkammerzündkerze 3, dargestellt. In dieser Variante ist die Zündkerze 2 im rechten Seitenbereich 59 angeordnet.
  • Ähnlich der 3 sei dabei angemerkt, dass die seitlich angeordnete Zündkerze 2 bzw. Vorkammerzündkerze 3 alternativ zu den in 5(c) bis 5(e) dargestellten Positionen auch in jedem beliebigen der vier Seitenbereiche 59 angeordnet sein kann.
  • Es sei angemerkt, dass sämtliche Abstände, auf welche Bezug genommen wird jeweils als minimale Abstände anzusehen sind. Das heißt, beispielsweise ein „Abstand zwischen Vorkammerzündkerze und Brennraum-Kraftstoffinjektor“ wird als minimale Distanz eines Außenumfangs der Zündkerze, insbesondere im Wesentlichen in einer Ebene des Brennraumdachs, zum Außenumfang des und Brennraum-Kraftstoffinjektors angesehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102019205478 A1 [0002]

Claims (22)

  1. Verbrennungskraftmaschine, umfassend: - zumindest einen Zylinder (10), - vier Ladungswechselöffnungen (4) pro Zylinder (10), wobei eine erste und eine zweite Ladungswechselöffnung (4) jeweils eine Einlassöffnung (41) ist, und wobei eine dritte und eine vierte Ladungswechselöffnung (4) jeweils eine Auslassöffnung (42) ist, und - jeweils eine Zündkerze (2) und eine Vorkammerzündkerze (3) pro Zylinder (10).
  2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Zündkerze (2) und/oder die Vorkammerzündkerze (3) an einem Brennraumdach (50) eines Brennraums (5) des Zylinders (10) angeordnet sind.
  3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, wobei die Vorkammerzündkerze (3) näher an einem Mittelpunkt (54) des Brennraumdachs (50) angeordnet ist als die Zündkerze (2), oder wobei die Zündkerze (2) näher am Mittelpunkt (54) des Brennraumdachs (50) angeordnet ist als die Vorkammerzündkerze (3).
  4. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorkammerzündkerze (3) näher an einer Seitenwand (11) des Zylinders (10) als die Zündkerze (2) angeordnet ist, oder wobei die Zündkerze (2) näher an der Seitenwand (11) des Zylinders (10) als die Vorkammerzündkerze (3) angeordnet ist.
  5. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorkammerzündkerze (3) näher an zumindest einer der Einlassöffnungen (41) oder näher an zumindest einer der Auslassöffnungen (42) als die Zündkerze (2) angeordnet ist.
  6. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündkerze (2) einlassseitig oder auslassseitig zu der Vorkammerzündkerze (3) angeordnet ist.
  7. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, - wobei die Ladungswechselöffnungen (4) im Brennraumdach (50) angeordnet sind, - wobei das Brennraumdach (50) durch zwei zueinander senkrechte Schnittebenen (51, 52) in vier Quadranten (55, 56, 57, 58) unterteilt ist, derart, dass in jedem Quadranten (55, 56, 57, 58) jeweils eine der vier Ladungswechselöffnungen (4) angeordnet ist, und - wobei die Zündkerze (2) und/oder die Vorkammerzündkerze (3) auf einer der Schnittebenen (51, 52) angeordnet ist.
  8. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Zündkerze (2) und/oder die Vorkammerzündkerze (3) innerhalb eines Mittelpunktbereichs (53) des Brennraumdachs (50), welcher im Wesentlichen radial innerhalb der Ladungswechselöffnungen (4) liegt, angeordnet ist, insbesondere wobei die Vorkammerzündkerze (3) oder die Zündkerze (2) genau auf einem Mittelpunkt (54) des Brennraumdachs (50) angeordnet ist.
  9. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Zündkerze (2) und/oder die Vorkammerzündkerze (3) zwischen zwei benachbarten Ladungswechselöffnungen (4) und der Seitenwand (11) des Zylinders (10) angeordnet ist.
  10. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Brennraum-Kraftstoffinjektor (6), welcher eingerichtet ist zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum (5).
  11. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 10, wobei der Brennraum-Kraftstoffinjektor (6) am Brennraumdach (50) angeordnet ist.
  12. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Brennraum-Kraftstoffinjektor (6) zwischen zwei benachbarten Ladungswechselöffnungen (4), insbesondere den beiden Einlassöffnungen (41), und der Seitenwand (11) des Zylinders (10), angeordnet ist.
  13. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Brennraum-Kraftstoffinjektor (6) innerhalb eines Mittelpunktbereichs (53) des Brennraumdachs (50), welcher im Wesentlichen radial innerhalb der Ladungswechselöffnungen (4) liegt, angeordnet ist, insbesondere wobei der Brennraum-Kraftstoffinjektor (6), genau auf einem Mittelpunkt (54) des Brennraumdachs (50) angeordnet ist.
  14. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Vorkammerzündkerze (3) näher am Brennraum-Kraftstoffinjektor (6) als die Zündkerze (2) angeordnet ist, oder wobei die Zündkerze (2) näher am Brennraum-Kraftstoffinjektor (6) als die Vorkammerzündkerze (3) angeordnet ist.
  15. Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei eine Einspritzrichtung (65) des Brennraum-Kraftstoffinjektors (6) in Richtung der Zündkerze (2) oder der Vorkammerzündkerze (3) ausgerichtet ist.
  16. Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Saugrohr-Kraftstoffinjektor (7), welcher eingerichtet ist zur Einspritzung von Kraftstoff in ein Saugrohr (70) der Verbrennungskraftmaschine (1).
  17. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (1) mit zumindest einem Zylinder (10), wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) pro Zylinder (10) vier Ladungswechselöffnungen (4) und eine Zündkerze (2) und eine Vorkammerzündkerze (3) aufweist, wobei die Zündkerze (2) und/oder die Vorkammerzündkerze (3) betrieben wird, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch innerhalb eines Brennraums (5) des Zylinders (10) zu entzünden.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine (1) unter hoher Last, insbesondere bei einem Drehmoment von mindestens 20 %, vorzugsweise 50 %, besonders bevorzugt 80 %, eines Nenndrehmoments der Verbrennungskraftmaschine (1), die Vorkammerzündkerze (3) alleine betrieben wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine (1) unter niedriger Last, insbesondere bei einem Drehmoment von weniger als 80 %, vorzugsweise weniger als 50 %, besonders bevorzugt weniger als 20 %, eines Nenndrehmoments der Verbrennungskraftmaschine (1), die Zündkerze (2) alleine betrieben wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Zündkerze (2) während einer Katalysator-Heizphase, insbesondere nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine (1), betrieben wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die Zündkerze (2) und die Vorkammerzündkerze (3) mit unterschiedlichen, insbesondere voneinander unabhängigen, Zündzeitpunkten betrieben werden.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Verbrennungskraftmaschine (1) zumindest innerhalb eines Teil-Betriebsbereichs mit einer Lambdazahl von mindestens 1 betrieben wird, insbesondere während eines Betriebs der Zündkerze (2) und/oder Vorkammerzündkerze (3).
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