-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennzylinder einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Brennraum, der durch eine Brennraumwandung seitlich begrenzt ist, einen Brennraumdeckel, welcher den Brennraum auf einer Oberseite abschließt, wenigstens ein Einlassventil für den Einlass einer Verbrennungsluft in den Brennraum, das auf einer Einlassseite im Brennraumdeckel angeordnet ist, wenigstens ein Auslassventil für den Auslass eines Abgases aus dem Brennraum, das auf einer Auslassseite im Brennraumdeckel angeordnet ist, einen Injektor zum Einspritzen eines Brennstoffs in den Brennraum sowie eine Vorkammerzündkerze, die im Brennraumdeckel zwischen dem wenigstens einen Einlassventil und dem wenigstens einen Auslassventil angeordnet ist.
-
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass Brennkraftmaschinen einen oder mehrere Brennzylinder aufweisen, in denen eine kontrollierte Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemischs stattfinden kann. Der für diesen Verbrennungsprozess erforderliche Brennstoff kann zum Beispiel direkt in einen Brennraum des Brennzylinders eingespritzt werden. Zu diesem Zweck weisen die Brennzylinder jeweils einen Brennraumdeckel auf, der einen entsprechenden Injektor umfasst. Um die für den Verbrennungsprozess erforderliche Verbrennungsluft in den Brennraum einzubringen, ist innerhalb des Brennraumdeckels zumindest ein Einlassventil angeordnet. Ferner ist innerhalb des Brennraumdeckels zumindest ein Auslassventil angeordnet, um ein während des Verbrennungsprozesses entstehendes Abgas wieder aus dem Brennraum herausfördern zu können.
-
Ein Nachteil zahlreicher, aus dem Stand der Technik vorbekannter Lösungen besteht insbesondere darin, dass diese außerhalb des regulären Betriebes, also außerhalb der Normbedingungen, nicht optimal betrieben werden können.
-
Aus der
DE 10 2018 112 450 A1 ist ein Brennzylinder der eingangs genannten Art bekannt, bei dem im Brennraumdeckel zwischen dem wenigstens einen Einlassventil und dem wenigstens einen Auslassventil eine Vorkammerzündkerze angeordnet ist. Die Vorkammerzündkerze befindet sich dabei in einem zentralen Bereich zwischen dem wenigstens einen Einlassventil und dem wenigstens einen Auslassventil. Darüber hinaus ist in diesem Bereich auch der Injektor zum direkten Einspritzen des Brennstoffs angeordnet. Dieses führt dazu, dass insbesondere der Injektor benachbart zu der Vorkammerzündkerze angeordnet ist, so dass hier eine direkte Mischung der Verbrennungsluft mit dem Brennstoff im Bereich der Vorkammerzündkerze möglich wird, was zu deutlich verbesserten Strömungsverhältnissen und dementsprechend zu verbesserten Zündzeitpunkten und Zündfunktionen führt. Dieser Brennzylinder ist nicht nur im regulären Betrieb der Brennkraftmaschine im Rahmen des Kennfeldes, sondern auch im Randbereich des Kennfeldes beziehungsweis in schwierigen Betriebsbedingungen einsetzbar. Die Verbrennung startet durch die verbesserte Zündfunktionalität leichter beziehungsweise schneller, und die Verbrennung läuft stabiler und definierter ab. Insbesondere kann der Zündzeitpunkt mit dem tatsächlichen Start der Verbrennung innerhalb des Brennraums besser korreliert werden, so dass eine unerwünschte Fehlzündung beziehungsweise eine unerwünschte Spätzündung mit hoher Wahrscheinlichkeit vermieden werden kann. Ein derartiger Brennzylinder erlaubt es also, dass durch die zentrale Anordnung eines Injektors mit einer Vorkammerzündkerze die Stabilität der Verbrennung gesteigert werden kann. Bei diesem Brennzylinder kann zudem das Auslassventil zwischen der Vorkammerzündkerze und einer Zusatzzündkerze angeordnet sein. Eine solche Zusatzzündkerze kann die Stabilität der Verbrennung auch an der Auslassseite weiter verbessern. Insbesondere in schwierigen Betriebssituationen, also zum Beispiel beim Kaltstart der Brennkraftmaschine, einem Heizbetrieb eines nachgeordneten Katalysators oder im Betrieb bei einer Niedriglastsituation kann mithilfe der Zusatzzündkerze die Entzündung auch in dieser schwierigen Einsatzsituation verbessert beziehungsweise mit höherer Wahrscheinlichkeit erfolgen. Somit dient die Zusatzzündkerze als Hilfe beim Zünden des Brennstoff-Luft-Gemischs mit der Vorkammerzündkerze und wird insbesondere gemeinsam mit der Vorkammerzündkerze betrieben.
-
Es hat sich allerdings gezeigt, dass eine Zusatzzündkerze im Auslassbereich des Brennzylinders unter Umständen aus Package-Gründen nicht umsetzbar ist oder aufgrund thermischer Gegebenheiten nicht sinnvoll ist.
-
Die
DE 10 2016 218 707 A1 offenbart ebenfalls einen Brennzylinder einer Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, der allerdings nicht mit einer Zusatzzündkerze ausgestattet ist.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Brennzylinder der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass der Betrieb des Brennzylinders auf einfache Weise weiter stabilisiert und weiter optimiert werden kann.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch einen gattungsgemäßen Brennzylinder mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Ein erfindungsgemäßer Brennzylinder zeichnet sich dadurch aus, dass der Brennzylinder im Bereich der Einlassseite des Brennraumdeckels eine selektiv aktivierbare Zusatzzündkerze aufweist. In bestimmten Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel beim Kaltstart der Brennkraftmaschine, bei einem Heizbetrieb eines der Brennkraftmaschine nachgeordneten Katalysators oder im Betrieb bei einer Niedriglastsituation, wird in vorteilhafter Weise überwiegend die seitliche Zusatzzündkerze auf der Einlassseite verwendet, da die Vorkammerzündkerze im kalten Betriebszustand und auch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine nicht zufriedenstellend funktioniert beziehungsweise unter Umständen auch Zündaussetzer generiert. Dieses ermöglicht es in vorteilhafter Weise, eine mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen Brennzylindern ausgestattete Brennkraftmaschine auch in denjenigen Betriebszuständen, in denen das Brennstoff-Luft Gemisch innerhalb der Brennkammer mittels der Vorkammerzündkerze nur schwer zündbar ist, trotzdem zuverlässig zu betreiben. Die Zusatzzündkerze dient somit dazu, auch in schwierigen Betriebszuständen die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemischs in definierter Weise und mit hoher Wahrscheinlichkeit tatsächlich durchzuführen. In diesem Zusatzbetrieb unterstützt also die die Zusatzzündkerze den normalen Betrieb der (passiven) Vorkammerzündkerze. Es hat sich zudem gezeigt, dass unter thermischen Aspekten die Anordnung der Zusatzzündkerze im Bereich der Einlassseite des Brennraumdeckels wesentlich vorteilhafter als im Bereich der Auslassseite ist. Da die Zusatzzündkerze vorzugsweise nur dann in Betrieb ist, wenn schwierige Einsatzbeziehungsweise Betriebssituationen der Brennkraftmaschine vorliegen, kann die Zusatzzündkerze kleiner, leichter und kostengünstiger ausgestaltet sein, da sie nur als Unterstützungsfunktion innerhalb des Brennzylinders angeordnet ist. Dadurch ergeben sich auch Package-Vorteile.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Zusatzzündkerze als Hakenkerze ausgebildet ist. Dadurch wird eine einfache und robuste Ausgestaltung der Zusatzzündkerze geschaffen.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine Einlassventil zwischen der Vorkammerzündkerze und der Zusatzzündkerze angeordnet ist. Die Vorkammerzündkerze befindet sich dann auf der Einlassseite im Außenbereich des Brennraumdeckels.
-
In einer alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Zusatzzündkerze unterhalb des zumindest einen Einlassventils angeordnet ist. Eine Positionierung der Zusatzzündkerze im Einlassbereich, insbesondere durch eine einlassseitige Maskierung, unterhalb des zumindest einen Einlassventils kann vorteilhaft sein, da die Zusatzzündkerze dann etwas weiter vom Außenumfang (d.h., der Brennraumwandung) entfernt angeordnet ist. Die Zusatzzündkerze ist dann wieder etwas zentraler positioniert und zusätzlich in der Tumble-Ladungsbewegung, die unten vom Kolben wieder hochkommt und an der einlassseitigen Maskierung entlangströmt. Dieses führt zu weiteren Vorteilen bei der Zündung und Entflammung des Brennstoff-Luft-Gemischs, insbesondere bei niedrigen Lasten.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Injektor auf der Auslassseite des Brennraumdeckels angeordnet ist.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass der Injektor zwischen der Vorkammerzündkerze und dem wenigstens einen Auslassventil angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass sich der Injektor nicht nur außerhalb der Einlassseite des Brennzylinders, sondern im gleichen mittleren Bereich wie auch die Vorkammerzündkerze befindet. Diese mittige beziehungsweise zentrale Anordnung des Injektors, welche vorzugsweise mit der mittigen beziehungsweise zentralen Anordnung der Vorkammerzündkerze kombiniert ist, führt insbesondere dazu, dass die Stabilität des Verbrennungsprozesses noch weiter verbessert werden können. Durch die benachbarte Anordnung des Injektors und der Vorkammerzündkerze kann darüber hinaus auch die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemischs selbst verbessert und beschleunigt werden und hinsichtlich des Zündzeitpunkts in definierter Weise erfolgen.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung besteht die Möglichkeit, dass auf der Einlassseite des Brennraumdeckels wenigstens zwei Einlassventile angeordnet sind. Vorzugsweise kann die Zusatzzündkerze zwischen den Einlassventilen angeordnet sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass auf der Auslassseite des Brennraumdeckels wenigstens zwei Auslassventile angeordnet sind. Die Einlassventile und die Auslassventile können dabei vorzugsweise symmetrisch zueinander angeordnet sein.
-
Eine Erhöhung der Anzahl der Einlass- und/oder Auslassventile des Brennzylinders hat den Vorteil, dass dadurch die gesamte effektiv zur Verfügung stehende Ventilöffnung in vorteilhafter Weise vergrößert werden kann. Dadurch wird zum Beispiel erreicht, dass während eines Öffnungshubs der Einlassventile eine größere Menge der Verbrennungsluft in den Brennraum hineinströmen kann. Ferner kann über die Auslassventile eine größere Abgasmenge aus dem Brennraum ausströmen. Die Erhöhung der Anzahl der Einlass- und/oder Auslassventile des Brennzylinders führt darüber hinaus auch dazu, dass relativ kompakt ausgeführte Einlassbeziehungsweise Auslassventile verwendet werden können. Dadurch ist es möglich, den Bauraum des gesamten Brennzylinders relativ klein zu halten und die Geschwindigkeit der Ventilöffnung und der Ventilschließung in vorteilhafter Weise zu erhöhen. Ein größerer Volumendurchsatz pro Hub ist damit auch bei großer Hubgeschwindigkeit möglich.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende 1, die einen Brennzylinder 1 einer Brennkraftmaschine mit Blick von unten auf einen Brennraumdeckel 2 in schematisch stark vereinfachter Form zeigt.
-
Der Brennzylinder 1 weist einen Brennraum 3 auf, der von einer Brennraumwandung 4 umgeben ist, welche ausgehend von der Darstellung in 1 insbesondere zylindrisch nach unten weiterläuft. Nach unten wird der Brennraum 3 in an sich bekannter Weise von einem bewegbaren, hier nicht explizit dargestellten Kolben abgeschlossen, welcher dazu ausgebildet ist, bei seiner Bewegung das Volumen des Brennraums 3 zu variieren.
-
Der Brennraum 3 des Brennzylinders 1 ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel für einen Betrieb in einer so genannten Mehrventiltechnik ausgeführt. Vorliegend sind daher auf einer Einlassseite des Brennraumdeckels 2 zwei Einlassventile 5a, 5b angeordnet. Auf einer Auslassseite des Brennraumdeckels 2 sind ferner zwei Auslassventile 6a, 6b angeordnet. Die Einlassventile 5a, 5b und die Auslassventile 6a, 6b sind vorliegend symmetrisch zueinander angeordnet.
-
Wenn der Verbrennungsvorgang gestartet wird, wird durch die beiden Einlassventile 5a, 5b in ihrem geöffneten Zustand eine Verbrennungsluft beziehungsweise ein Verbrennungsfluid in den Brennraum 3 eingebracht. Um zusätzlich zur Verbrennungsluft beziehungsweise zum Verbrennungsfluid auch einen Brennstoff in den Brennraum 3 des Brennzylinders 1 einzubringen, ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Direkteinspritzung vorgesehen, die mithilfe eines Injektors 7, der innerhalb des Brennraumdeckels 2 angeordnet ist, realisiert ist. Ferner ist innerhalb des Brennraumdeckels 2 in einem zentralen beziehungsweise mittigen Bereich eine passive Vorkammerzündkerze 8 angeordnet. Der Injektor 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel zwischen den Auslassventilen 6a, 6b und der Vorkammerzündkerze 8 angeordnet.
-
Wenn während des Betriebs der mit zumindest einem derartigen Brennzylinder 1 ausgestatteten Brennkraftmaschine die Verbrennungsluft über die beiden Einlassventile 5a, 5b in den Brennraum 3 gelangt und der Brennstoff über den Injektor 7 in den Brennraum 3 eingespritzt wird, entsteht innerhalb des Brennraums 3 ein zündfähiges Brennstoff-Luft-Gemisch. Mittels der Vorkammerzündkerze 8 wird ein Zündfunken und damit ein Startpunkt für die gewünschte explosionsartige Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemischs innerhalb des Brennraums 3 erzeugt. Durch den relativ geringen Abstand zwischen dem Injektor 7 und der Vorkammerzündkerze 8 ist es beispielsweise möglich, eine zündgekoppelte Einspritzung vorzusehen. Mit anderen Worten ist eine genaue zeitliche Einstellung denkbar, zu welchem Zeitpunkt eingespritzt und zu welchem Zeitpunkt das Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet wird. Dadurch, dass nur eine geringe Einflussnahme der Strömungssituation durch den geringen Abstand zwischen dem Injektor 7 und der Vorkammerzündkerze 8 besteht, kann hier sehr genau und in vordefinierter Weise der Zündzeitpunkt auch tatsächlich in der Realität eingehalten werden.
-
Sobald die Verbrennung beendet ist, werden die beiden Auslassventile 6a, 6b geöffnet, so dass das bei der Verbrennung generierte Abgas den Brennraum 3 auf der Auslassseite wieder verlassen kann und über eine an die Brennkraftmaschine angeschlossene Abgasanlage in die Umgebung ausgetragen werden kann.
-
Es hat sich gezeigt, dass das Brennstoff-Luft-Gemisch innerhalb des Brennraums 3 in bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel beim Kaltstart, beim Katalysator-Heizen oder im Niedriglastbetrieb, mittels der Vorkammerzündkerze 8 nicht immer zuverlässig gezündet werden kann, so dass es unter Umständen zu Zündaussetzern kommen kann.
-
Um diesem Problem abzuhelfen, ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine selektiv aktivierbare Zusatzzündkerze 9 vorgesehen, die in einem Außenbereich des Brennraumdeckels 2 auf der Einlassseite zwischen den beiden Einlassventilen 5a, 5b angeordnet ist. Alternativ kann die Zusatzzündkerze 9 zum Beispiel auch unterhalb der Einlassventile 5a, 5b angeordnet sein. Die Zusatzzündkerze 9 kann vorzugsweise als Hakenkerze ausgebildet sein, so dass sie einfach und robust ausgeführt werden kann. Diese Zusatzzündkerze 9 ist im Außenbereich des Brennraumdeckels 2 angeordnet, da sie während des normalen Betriebs der mit dem Brennzylinder 1 ausgestatteten Brennkraftmaschine aufgrund ihrer selektiven Aktivierbarkeit nicht oder nur eingeschränkt zum Einsatz kommt.
-
In bestimmten Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel beim Kaltstart, beim Katalysator-Heizen, beim Niedriglastbetrieb u.a., wird in vorteilhafter Weise überwiegend die seitliche Zusatzzündkerze 9 auf der Einlassseite des Brennzylinders 1 verwendet, da die Vorkammerzündkerze 8 im kalten Betriebszustand und auch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine nicht zufriedenstellend funktioniert beziehungsweise unter Umständen auch Zündaussetzer generiert. Dieses ermöglicht es in vorteilhafter Weise, die Brennkraftmaschine auch in denjenigen Betriebszuständen, in denen das Brennstoff-Luft Gemisch innerhalb der Brennkammer 3 mittels der Vorkammerzündkerze 8 nur schwer entzündet werden kann, trotzdem zuverlässig zu betreiben. Die Zusatzzündkerze 9 dient somit dazu, auch in schwierigen Betriebszuständen die Zündung in definierter Weise und mit hoher Wahrscheinlichkeit tatsächlich durchzuführen und somit sicherzustellen. In diesem selektiv aktivierbaren Zusatzbetrieb unterstützt also die Zusatzzündkerze 9 den normalen Betrieb der Vorkammerzündkerze 8.
-
Aus 1 wird deutlich, dass der Injektor 7 näher an der Vorkammerzündkerze 8 angeordnet ist, als an der Zusatzzündkerze 9. Dadurch kann die Vorkammerzündkerze 8 gemeinsam mit dem Injektor 7 sozusagen einen zentralen Hauptbetrieb im mittigen Zentralbereich des Brennzylinders 1 zur Verfügung stellen. Die Zusatzzündkerze 9 ist nach außen in den Außenbereich der Einlassseite ausgelagert, um dort nur in den schwierigen Betriebssituationen eingesetzt zu werden. In der hauptsächlichen Einsatzsituation, also während der meisten Zeit des Betriebs der Brennkraftmaschine, führt also die Zusatzzündkerze 9 keine Operation durch, sondern verbleibt passiv und auf diese Weise im Außenbereich mit möglichst wenig Beeinflussung der Strömungssituation im Brennraum 3.
-
Eine Positionierung der Zusatzzündkerze 9 im Einlassbereich des Brennzylinders 1, insbesondere durch eine einlassseitige Maskierung, unterhalb der Einlassventile 5a, 5b kann in diesem Zusammenhang vorteilhaft sein, da die Zusatzzündkerze 9 dann etwas weiter vom Außenumfang (d.h. der Brennraumwandung 4) entfernt angeordnet ist. Die Zusatzzündkerze 9 ist dann wieder etwas zentraler positioniert und zusätzlich in der Tumble-Ladungsbewegung, die unten vom Kolben wieder hochkommt und an der Maskierung entlangströmt. Dieses hat Vorteile bei der Zündung und Entflammung des Brennstoff-Luft-Gemischs, insbesondere bei niedrigen Lasten.
-
Die hier beschriebene Gesamtkonfiguration des Brennzylinders 1 mit der Vorkammerzündkerze 8 und der Zusatzzündkerze 9 ist insbesondere für den regulären Betrieb der Brennkraftmaschine vom Kaltstart, über das Katalysator-Heizen, den Warmlaufbetrieb, den Teillastbetrieb bis hin zum kompletten Kennfeldbetrieb bis zur Volllast beziehungsweise der Nennleistung der Brennkraftmaschine sehr wirkungsvoll.
