DE102021113860B3

DE102021113860B3 - Method for operating an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102021113860B3
Application number: DE102021113860.4A
Authority: DE
Inventors: Andre Casal Kulzer
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2041-05-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1)- mit einem Zylinderkopf (3) mit einer passiven Vorkammer (4) pro Zylinder, die mit einem Brennraum strömungsverbunden ist, wobei eine erste Zündquelle (6) in die Vorkammer (4) und eine zweite Zündquelle (5) außerhalb der Vorkammer (4) in den Brennraum einmündet,- mit einer Einlassseite (E) mit zwei Einlassventilöffnungen (EV) und einer Auslassseite (A) mit zwei Auslassventilöffnungen (AV),- mit einer in den Brennraum mündenden Einspritzeinrichtung (8).Um einen Betrieb mit reduziertem Verbrauch, reduzierten Emissionen und einem hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist vorgesehen,- dass die Einspritzeinrichtung (8) auf der Auslassseite (A) angeordnet ist,- dass die zweite Zündquelle (5) auf der Einlassseite (E) angeordnet ist,- dass die Vorkammer (4) in einem zentralen Bereich (Z) einer Brennraumdeckfläche (7) angeordnet ist.The present invention relates to an internal combustion engine (1) with a cylinder head (3) with a passive prechamber (4) per cylinder which is flow-connected to a combustion chamber, with a first ignition source (6) in the prechamber (4) and a second ignition source (5) outside the antechamber (4) opens into the combustion chamber, - with an inlet side (E) with two inlet valve openings (EV) and an outlet side (A) with two outlet valve openings (AV), - with an injection device (8 ).In order to achieve operation with reduced consumption, reduced emissions and a high level of efficiency, it is provided that - the injection device (8) is arranged on the outlet side (A), - that the second ignition source (5) is on the inlet side (E ) is arranged, - that the antechamber (4) is arranged in a central region (Z) of a combustion chamber top surface (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine.

Aus der DE 10 2020 110 960 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit einer passiven Vorkammer pro Zylinder bekannt, die mit einem Brennraum strömungsverbunden ist. Eine erste Zündquelle mündet dabei in die Vorkammer ein, während eine zweite Zündquelle außerhalb der Vorkammer in den Brennraum mündet. Die bekannte Brennkraftmaschine weist je Zylinder, insbesondere an einer Brennraumdeckfläche, eine Einlassseite mit zwei Einlassventilöffnungen und eine Auslassseite mit zwei Auslassventilöffnungen auf. Ebenfalls vorgesehen ist eine in den Brennraum mündende Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff. Die Einspritzeinrichtung soll dabei seitlich in den Brennraum einmünden, um ein Klopfen zu vermeiden und Emissionen zu verringern.From the DE 10 2020 110 960 A1 discloses an internal combustion engine having a cylinder head with a passive antechamber per cylinder that is flow-connected to a combustion chamber. A first ignition source opens into the antechamber, while a second ignition source outside the antechamber opens into the combustion chamber. The known internal combustion engine has an inlet side with two inlet valve openings and an outlet side with two outlet valve openings for each cylinder, in particular on a top surface of the combustion chamber. Also provided is an injection device opening into the combustion chamber for injecting fuel. The injection device should open into the combustion chamber at the side in order to avoid knocking and reduce emissions.

Aus der AT 522 462 B1 ist eine weitere Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit einer Vorkammer pro Zylinder bekannt, die über zumindest eine Überströmöffnung mit einem Brennraum strömungsverbunden ist. Eine erste Zündquelle mündet dabei in die Vorkammer, während eine zweite Zündquelle außerhalb der Vorkammer in den Brennraum einmündet. Zur Verbesserung eines Emissionsverhaltens und dem Verringern eines Klopfens ist eine dritte Zündquelle außerhalb der Vorkammer vorgesehen, die ebenfalls in den Brennraum einmündet.From the AT 522 462 B1 Another internal combustion engine with a cylinder head with one prechamber per cylinder is known, which is flow-connected to a combustion chamber via at least one overflow opening. A first ignition source opens into the antechamber, while a second ignition source opens into the combustion chamber outside of the antechamber. To improve emission behavior and reduce knocking, a third ignition source is provided outside the antechamber, which also opens into the combustion chamber.

Aus der EP 3 561 255 B1 ist eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug bekannt, welche zumindest einen Zylinder und mindestens einen Einlasskanal aufweist, der geeignet ist, dem Zylinder Frischluft über mindestens eine Einlassöffnung zuzuführen. Über zumindest ein Einlassventil wird der in den Zylinder eintretende Luftstrom gesteuert. Über zumindest ein Einspritzventil kann unverbrannter Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt werden. Des Weiteren vorgesehen ist zumindest eine erste Zündkerze, die an einem Zylinderkopf angebaut ist und innerhalb des Brennraums zum zyklischen und selektiven Zünden eines Kraftstoff-/Luftgemischs bestimmt ist. Eine zweite Zündkerze ist innerhalb einer Vorkammer angeordnet. Die erste Zündkerze liegt zudem an einer Position benachbart zu einer Einspritzdüse, während die Vorkammer an einer Mittelposition innerhalb des Brennraums angeordnet ist.From the EP 3 561 255 B1 an internal combustion engine for a vehicle is known which has at least one cylinder and at least one intake port which is suitable for supplying fresh air to the cylinder via at least one intake opening. The air flow entering the cylinder is controlled via at least one intake valve. Unburned fuel can be injected into the cylinder via at least one injection valve. Also provided is at least one first spark plug, which is mounted on a cylinder head and is intended for cyclic and selective ignition of a fuel/air mixture within the combustion chamber. A second spark plug is located within a pre-chamber. Also, the first spark plug is located at a position adjacent to an injector, while the pre-chamber is located at a central position within the combustion chamber.

Aus der DE 10 2018 112 450 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf mit einer passiven Vorkammer pro Zylinder bekannt, die mit einem Brennraum strömungsverbunden ist, wobei eine erste Zündquelle in die Vorkammer und eine zweite Zündquelle außerhalb der Vorkammer in den Brennraum einmündet. Zusätzlich weist die Brennkraftmaschine eine Einlassseite mit zwei Einlassventilöffnungen und einer Auslassseite mit zwei Auslassventilöffnungen sowie eine in den Brennraum mündende Einspritzeinrichtung auf. Die Einspritzeinrichtung ist dabei auf der Auslassseite angeordnet, während die zweite Zündquelle auf der Einlassseite und die Vorkammer in einem zentralen Bereich einer Brennraumdeckfläche angeordnet sind.From the DE 10 2018 112 450 A1 discloses an internal combustion engine with a cylinder head having a passive antechamber per cylinder which is flow-connected to a combustion chamber, with a first ignition source opening into the antechamber and a second ignition source entering the combustion chamber outside of the antechamber. In addition, the internal combustion engine has an inlet side with two inlet valve openings and an outlet side with two outlet valve openings, and an injection device that opens into the combustion chamber. The injection device is arranged on the outlet side, while the second ignition source is arranged on the inlet side and the antechamber is arranged in a central region of a combustion chamber top surface.

Aus der CN 110 185 534 A , der DE 10 2012 202 080 A1 sowie der US 2007 / 0 221 164 A1 sind weitere Brennkraftmaschinen bekannt.From the CN 110 185 534 A , the DE 10 2012 202 080 A1 as well as the U.S. 2007/0 221 164 A1 other internal combustion engines are known.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine anzugeben.The present invention deals with the problem of specifying an improved method for operating an internal combustion engine.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this problem is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.

Bei einer an sich bekannten Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einer passiven Vorkammer je Zylinder werden eine Einspritzeinrichtung sowie eine in einen Brennraum mündende zweite Zündquelle an anderer Stelle als bislang angeordnet, um dadurch einen deutlich verbesserten, insbesondere auch emissionsärmeren Betrieb der Brennkraftmaschine in sämtlichen Betriebsbereichen zu erreichen. Die Brennkraftmaschine weist dabei einen Zylinderkopf mit einer passiven Vorkammer pro Zylinder auf, die mit dem Brennraum kommunizierend verbunden ist. Eine derartige passive Vorkammer besitzt somit keine eigene Kraftstoffeinspritzung. Eine erste Zündquelle ist dabei in der Vorkammer angeordnet bzw. mündet in diese ein, während eine zweite Zündquelle außerhalb der Vorkammer, insbesondere in einem Bereich einer Brennraumdeckfläche, angeordnet ist und in den Brennraum einmündet. Je Zylinder bzw. je Brennraumdeckfläche ist dabei eine Einlassseite mit zwei Einlassventilöffnungen sowie eine Auslassseite mit zwei Auslassventilöffnungen vorgesehen. Ebenfalls vorgesehen ist eine in den Brennraum mündende Einspritzeinrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum. Die Einspritzeinrichtung ist nun auf der Auslassseite angeordnet, während die zweite Zündquelle, das heißt die Zündquelle, die direkt in den Brennraum mündet, auf der Einlassseite angeordnet ist. Die Vorkammer und damit auch deren erste Zündquelle sind in einem zentralen Bereich einer Brennraumdeckfläche, das heißt des Zylinderkopfes, angeordnet. Durch die derart gewählte Anordnung der Einspritzeinrichtung, der Vorkammer sowie der zweiten Zündquelle kann die Brennkraftmaschine über sämtliche Betriebsbereiche, das heißt beispielsweise einen Teillastbetrieb, einen Mischbetrieb und einen Volllastbetrieb äußerst effektiv, das heißt kraftstoffsparend und emissionsarm und mit zugleich hohem Wirkungsgrad betrieben werden.In a known internal combustion engine with a cylinder head and a passive antechamber for each cylinder, an injection device and a second ignition source opening into a combustion chamber are arranged at a different point than before, in order to achieve significantly improved, and in particular also lower-emission, operation of the internal combustion engine in all operating ranges . The internal combustion engine has a cylinder head with a passive antechamber per cylinder, which is connected to the combustion chamber in a communicating manner. Such a passive antechamber therefore does not have its own fuel injection. A first ignition source is arranged in the antechamber or opens into it, while a second ignition source is arranged outside of the antechamber, in particular in a region of a combustion chamber top surface, and opens into the combustion chamber. An inlet side with two inlet valve openings and an outlet side with two outlet valve openings are provided for each cylinder or for each combustion chamber top surface. Also provided is an injection device opening into the combustion chamber for injecting fuel into the combustion chamber. The injection device is now arranged on the outlet side, while the second ignition source, ie the ignition source that opens directly into the combustion chamber, is arranged on the inlet side. The antechamber and thus also its first ignition source are arranged in a central area of a combustion chamber top surface, ie the cylinder head. Due to the arrangement of the injection device, the prechamber and the second ignition source selected in this way, the internal combustion engine can be used over all operating ranges, the means, for example, a part-load operation, a mixed operation and a full-load operation extremely effectively, that means being operated in a fuel-saving and low-emission manner and at the same time with a high level of efficiency.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Einspritzeinrichtung zwischen den beiden Auslassventilöffnungen angeordnet. Hierdurch kann eine besonders effektive Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum erreicht werden, insbesondere da ein Einspritzen von Kraftstoff auf der Auslassseite und ein Einströmen von Luft auf der Einlassseite und damit ein verbessertes Durchmischen des Kraftstoff-/Luftgemischs und dadurch auch eine verbesserte Verbrennung ermöglicht werden.In an advantageous development, the injection device is arranged between the two outlet valve openings. In this way, a particularly effective injection of fuel into the combustion chamber can be achieved, in particular since fuel can be injected on the outlet side and air can flow in on the inlet side, and thus improved mixing of the fuel/air mixture and thus also improved combustion.

Zweckmäßig ist die zweite Zündquelle zwischen den beiden Einlassventilöffnungen angeordnet. Auch diese Anordnung ermöglicht einen besonders effektiven, kraftstoffreduzierenden und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine, da ein Zünden des Kraftstoff-/Luftgemischs im Brennraum nicht direkt benachbart zur Einspritzeinrichtung erfolgt, sondern auf der gegenüberliegenden Einlassseite, so dass davon auszugehen ist, dass beim Zünden bereits eine gute Durchmischung der in den Brennraum einströmenden Luft und des eingespritzten Kraftstoffs erfolgt sind. Mit der Vorkammer (zentral angeordnet) werden deutliche Wirkungsgradvorteile bzw. Leistungspotenziale erreicht, aber mit sehr schlechte Performance bis hin zu nicht fahrbahre Teillast oder Kaltstartfähigkeit. Die zweite Zündquelle ermöglicht die Ausweitung in Richtung Teillast und Kaltstart. Die Anordnung der zweiten Zündquelle wird dabei so ausgewählt, dass optimale Zündbedingungen für die Teillast und den Kaltstart, inkl. Katalysator Heizen und Betriebsstrategien herrschen. Durch die Anordnung der zweiten Zündquelle zwischen den Einlassventilen ist eine optimierte Anordnung möglich, da dort die Strömung gezielt vorbeikommt. Zudem ist zentral im Brennraum sehr wenig Platz vorhanden.The second ignition source is expediently arranged between the two inlet valve openings. This arrangement also enables a particularly effective, fuel-reducing and low-emission operation of the internal combustion engine, since the fuel/air mixture in the combustion chamber is not ignited directly adjacent to the injection device, but on the opposite inlet side, so that it can be assumed that a good Mixing of the air flowing into the combustion chamber and the injected fuel have taken place. With the pre-chamber (located centrally), significant efficiency advantages and performance potential are achieved, but with very poor performance up to impassable partial load or cold start capability. The second ignition source enables expansion in the direction of partial load and cold start. The arrangement of the second ignition source is selected in such a way that there are optimal ignition conditions for partial load and cold starts, including catalyst heating and operating strategies. By arranging the second ignition source between the intake valves, an optimized arrangement is possible, since the flow passes by there in a targeted manner. In addition, there is very little space in the center of the combustion chamber.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Zündquelle im Bereich einer Zylinderachse des Zylinders angeordnet. Die Zylinderachse stellt dabei einen Mittelpunkt des zentralen Bereichs dar, so dass in diesem besonderen Fall die erste Zündquelle und indirekt darüber auch die Vorkammer im Bereich der Zylinderachse angeordnet sind. Durch die Anordnung der ersten Zündquelle bzw. auch der Vorkammer im Bereich der Zylinderachse kann eine rasche Verbrennung sowie eine platzsparende Anordnung erreicht werden. Außerdem ist es hierdurch auch möglich, eine Klopfneigung zu reduzieren. Die zentrale Vorkammerposition ist vorteilhaft, damit Fackelstrahlen bzw. gezündetes Gemisch aus der Vorkammer strömt und möglichst den gesamten Brennraum erfasst.In a further advantageous embodiment, the first ignition source is arranged in the area of a cylinder axis of the cylinder. The cylinder axis represents a center point of the central area, so that in this special case the first ignition source and indirectly above it also the antechamber are arranged in the area of the cylinder axis. By arranging the first ignition source and also the antechamber in the area of the cylinder axis, rapid combustion and a space-saving arrangement can be achieved. In addition, this also makes it possible to reduce a knocking tendency. The central pre-chamber position is advantageous so that flare jets or the ignited mixture flow out of the pre-chamber and, if possible, cover the entire combustion chamber.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zum Betreiben einer in den vorherigen Absätzen beschriebenen Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem in einem Teillastbetrieb ein Kraftstoff-/Luftgemisch durch die zweite Zündquelle im Brennraum gezündet wird, bei dem in einem Volllastbetrieb das Kraftstoff-/Luftgemisch ausschließlich durch die erste Zündquelle in der Vorkammer gezündet wird und bei dem in einem Mischbetrieb das Kraftstoff-/Luftgemisch in der Vorkammer und das Kraftstoff-/Luftgemisch im Brennraum gleichzeitig oder nacheinander durch die erste Zündquelle in der Vorkammer und durch die zweite Zündquelle im Brennraum gezündet werden. Der Teillastbetrieb umfasst dabei beispielsweise einen Kaltstart der Brennkraftmaschine, ein Heizen eines Katalysators und/oder einen Leerlauf. Ein derartiger Kaltstart bzw. ein Heizen eines Katalysators oder auch ein Niedriglastbetrieb wird somit über die zweite Zündquelle im Brennraum bewerkstelligt, da eine zufriedenstellende Zündung des Kraftstoff-/Luftgemisches über die erste Zündquelle in der Vorkammer nicht zufriedenstellend gewährleistet werden kann. Um insbesondere eine Verkokung in der Vorkammer zu vermeiden, kann selbstverständlich die erste Zündquelle aktiv gezündet werden. Insgesamt kann so mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein deutlich verbesserter, insbesondere kraftstoff- und emissionsärmerer Betrieb der Brennkraftmaschine sowie ein Betrieb mit höherem Wirkungsgrad erreicht werden.The present invention is based on the general idea of specifying a method for operating an internal combustion engine described in the previous paragraphs, in which a fuel/air mixture is ignited by the second ignition source in the combustion chamber in part-load operation, in which the fuel/air mixture is ignited in full-load operation air mixture is ignited exclusively by the first ignition source in the pre-chamber and in which, in mixed operation, the fuel/air mixture in the pre-chamber and the fuel/air mixture in the combustion chamber are simultaneously or sequentially ignited by the first ignition source in the pre-chamber and by the second ignition source in the combustion chamber be ignited. Part-load operation includes, for example, a cold start of the internal combustion engine, heating of a catalytic converter and/or idling. Such a cold start or heating of a catalytic converter or low-load operation is thus accomplished via the second ignition source in the combustion chamber, since satisfactory ignition of the fuel/air mixture via the first ignition source in the antechamber cannot be guaranteed satisfactorily. In order in particular to avoid coking in the antechamber, the first ignition source can of course be actively ignited. Overall, the method according to the invention can be used to achieve significantly improved operation of the internal combustion engine, in particular with lower fuel consumption and emissions, and operation with a higher degree of efficiency.

Zweckmäßig herrscht im Volllastbetrieb im Brennraum ein Druck pme > 12 bar, insbesondere ein Druck von pme > 15 bar. Pme steht dabei für den effektiven Mitteldruck, das heißt eine hubraumbezogene Drehmomentangabe (also, pme proportional zu Drehmoment). Volllast liegt im Bereich von > 12bar pme, bei aufgeladenen Motoren üblicherweise von 16bar pme bis > 30bar pme vor. Pme ist dabei eine Lastgröße. Im Volllastbetrieb erfolgt die Zündung des Kraftstoff-/Luftgemisches durch die erste Zündquelle in der Vorkammer, während die zweite Zündquelle, welche beispielsweise als Hakenzündkerze ausgebildet sein kann, abgeschaltet ist. Hierdurch ist es möglich, die zweite Zündquelle vor zu hohen Belastungen, beispielsweise zu hohen Durchspruchspannungen unter Volllast bzw. hoher Ladungsdichte, welche die Keramik einer solchen als Hakenzündkerze ausgebildeten zweiten Zündquelle zerstören könnte, zu schützen. Außerdem ist es hierdurch möglich, Aussetzer zu minimieren.In full-load operation, a pressure pme >12 bar, in particular a pressure of pme >15 bar, expediently prevails in the combustion chamber. Pme stands for the mean effective pressure, i.e. a displacement-related torque specification (i.e., pme proportional to torque). Full load is in the range of > 12 bar pme, with supercharged engines usually from 16 bar pme to > 30 bar pme. Pme is a load variable. In full-load operation, the fuel/air mixture is ignited by the first ignition source in the antechamber, while the second ignition source, which can be in the form of a hook spark plug, for example, is switched off. This makes it possible to protect the second ignition source from excessive loads, for example excessive breakdown voltages under full load or high charge density, which could destroy the ceramic of such a second ignition source designed as a hook spark plug. This also makes it possible to minimize dropouts.

Zweckmäßig herrscht im Teillastbetrieb ein Druck pme zwischen 4 und 12 bar. Hierdurch ist es möglich, im Mischbetrieb zwischen unterer Teillast und Volllast einen äußerst hohen Wirkungsgrad zu erreichen und zugleich einen Übertrag des Betriebs der klassischen Hakenzündkerze zur Vorkammerzündung zu gewährleisten. Der Teillastbetrieb wird über Drehmoment definiert, oder den effektiven Mitteldruck pme. Bei sehr niedriger Last/Drehmoment/p_me wird die Zündung optimal hinsichtlich Wirkungsgrad/Verbrauch/Laufruhe/Emissionen über die zweite klassische Zündkerze. Je höher die Last/Drehmoment/p_me ist, wird die Zündung mit der ersten zündquelle (Vorkammerkerze) immer besser, so dass im Bereich ca. 10 bis 14 bar pme langsam der Wirkungsgrad mit der Vorkammerkerze zentral immer besser wird, bis es besser ist als die klassische Hakenkerze. Man braucht einen weiten Bereich (in der Teillast, insbesondere bei pme > 10bar), in dem dieser Mischbetrieb beider Kerzen wichtig ist, weil der optimale Betrieb der ersten Zündquelle (Vorkammerkerze) zentral von vielen Randbedingungen abhängig ist und zum Garantieren des besten Zündbetriebes, ist es notwendig, beide Zündquellen zu nutzen.A pressure pme between 4 and 12 bar expediently prevails in part-load operation. This makes it possible to achieve extremely high efficiency in mixed operation between lower partial load and full load and at the same time to ensure that the operation of the classic hook spark plug is carried over to prechamber ignition. Part-load operation is defined via torque, or the mean effective pressure pme. At very low load/torque/p _me , the ignition is optimal in terms of efficiency/consumption/smooth running/emissions via the second classic spark plug. The higher the load/torque/p _me , the ignition with the first ignition source (pre-chamber plug) gets better and better, so that in the range of approx. 10 to 14 bar p me the efficiency with the central pre-chamber plug slowly gets better and better until it is better than the classic hook candle. You need a wide range (in the partial load, especially at pme > 10 bar) in which this mixed operation of both plugs is important, because the optimal operation of the first ignition source (pre-chamber plug) depends on many boundary conditions and is to guarantee the best ignition operation it is necessary to use both sources of ignition.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention result from the dependent claims, from the drawings and from the associated description of the figures with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to identical or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Ansicht auf eine Brennraumdeckfläche einer Brennkraftmaschine zur Verdeutlichung einer Anordnung einer Einspritzeinrichtung einer zweiten Zündquelle sowie einer Vorkammer,
2 ein Lastdrehzahldiagramm mit Teillastbetrieb, Volllastbetrieb und Mischbetrieb.

It shows, each schematically,

1 a view of a combustion chamber top surface of an internal combustion engine to illustrate an arrangement of an injection device of a second ignition source and an antechamber,
2 a load speed diagram with partial load operation, full load operation and mixed operation.

Entsprechend der 1, weist eine Brennkraftmaschine 1, welche beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 2 eingesetzt werden kann, einen Zylinderkopf 3 mit einer passiven Vorkammer 4 je Zylinder auf, wobei die Vorkammer 4 mit einem Brennraum kommunizierend, das heißt strömungsverbunden ist. Der Brennraum liegt dabei gemäß der 1 oberhalb der Bildebene. Ebenfalls vorgesehen sind eine erste Zündquelle 6 in der Vorkammer 4 sowie eine zweite Zündquelle 5 außerhalb der Vorkammer 4, wobei die erste Zündquelle 6 in die Vorkammer 4 mündet, während die zweite Zündquelle 5 in den Brennraum mündet. Der Zylinderkopf 3 bzw. eine Brennraumdeckfläche 7 desselben ist in eine Einlassseite E und eine Auslassseite A aufgeteilt. Auf der Einlassseite E sind zwei Einlassventilöffnungen EV vorgesehen, während auf der Auslassseite A zwei Auslassventilöffnungen AV angeordnet sind. Ebenfalls vorgesehen ist noch eine in den Brennraum mündende Einspritzeinrichtung 8 zum Einspritzen von Kraftstoff. Dabei ist nun die Einspritzeinrichtung 8 auf der Auslassseite A angeordnet, während die zweite Zündquelle 5 auf der Einlassseite E angeordnet ist, die Vorkammer 4 wiederum und darüber auch die erste Zündquelle 6 sind in einem zentralen Bereich Z der Brennraumdeckfläche 7 angeordnet.According to the 1 , An internal combustion engine 1, which can be used for example in a motor vehicle 2, has a cylinder head 3 with a passive antechamber 4 per cylinder, the antechamber 4 communicating with a combustion chamber, that is flow-connected. The combustion chamber is according to the 1 above the image plane. Also provided are a first ignition source 6 in the antechamber 4 and a second ignition source 5 outside the antechamber 4, the first ignition source 6 opening into the antechamber 4, while the second ignition source 5 opens into the combustion chamber. The cylinder head 3 or a top surface 7 of the combustion chamber is divided into an inlet side E and an outlet side A. Two inlet valve openings EV are provided on the inlet side E, while two outlet valve openings AV are arranged on the outlet side A. Also provided is an injection device 8 opening into the combustion chamber for injecting fuel. In this case, the injection device 8 is now arranged on the outlet side A, while the second ignition source 5 is arranged on the inlet side E, the antechamber 4 in turn and above it also the first ignition source 6 are arranged in a central area Z of the combustion chamber top surface 7 .

Die Anordnung der Vorkammer 4, der zweiten Zündquelle 5 und der Einspritzeinrichtung 8 ermöglicht einen verbrauchsreduzierten und emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine 1 und zwar in sämtlichen Betriebsbereichen, wie beispielsweise einem Teillastbetrieb 9, einem Volllastbetrieb 10 sowie einem Mischbetrieb 11 (vgl. 2). Last-Grenzen können dabei variabel in Abhängigkeit der Effektivität und Randbedingungen beider Zündsysteme definiert werden.The arrangement of the antechamber 4, the second ignition source 5 and the injection device 8 enables consumption-reduced and low-emission operation of the internal combustion engine 1 in all operating ranges, such as partial-load operation 9, full-load operation 10 and mixed operation 11 (cf. 2 ). Load limits can be variably defined depending on the effectiveness and boundary conditions of both ignition systems.

Betrachtet man die 1 weiter so kann man erkennen, dass die Einspritzeinrichtung 8 vorzugsweise zwischen den beiden Auslassventilöffnungen AV angeordnet ist, wodurch eine besonders gute Durchmischung der über die Einlassventilöffnungen EV einströmenden Luft und des über die Einspritzeinrichtung 8 eingespritzten Kraftstoffs ermöglicht wird. Die zweite Zündquelle 5 liegt vorzugsweise zwischen den beiden Einlassventilöffnungen EV, wodurch ebenfalls die Verbrennung verbessert werden kann, beispielsweise im Vergleich zu einer auf der Auslassseite benachbart zur Einspritzeinrichtung 8 liegenden zweiten Zündquelle 5.Looking at the 1 Furthermore, one can see that the injection device 8 is preferably arranged between the two outlet valve openings AV, as a result of which particularly good mixing of the air flowing in via the inlet valve openings EV and the fuel injected via the injection device 8 is made possible. The second ignition source 5 is preferably located between the two intake valve openings EV, as a result of which the combustion can also be improved, for example in comparison to a second ignition source 5 located on the exhaust side adjacent to the injection device 8.

Die erste Zündquelle 6 kann darüber hinaus im Bereich einer Zylinderachse des Zylinders angeordnet sein, wobei die Zylinderachse gemäß der 1 orthogonal zur Bildebene verläuft.The first ignition source 6 can also be arranged in the region of a cylinder axis of the cylinder, the cylinder axis according to the 1 orthogonal to the image plane.

Die zweite Zündquelle 5 kann beispielsweise als Hakenzündkerze ausgebildet sein und dadurch als kostengünstiges Standardbauteil, wodurch die Herstellungskosten für die Brennkraftmaschine 1 reduziert werden können. In analoger Weise kann selbstverständlich auch die erste Zündquelle 6 rein theoretisch als eine derartige Hakenzündkerze ausgebildet sein. Ebenso denkbar ist, dass die erste Zündquelle 6 eine passive zentrale Vorkammerzündkerze besitzt.The second ignition source 5 can be designed as a hook spark plug, for example, and thus as an inexpensive standard component, as a result of which the manufacturing costs for the internal combustion engine 1 can be reduced. In an analogous manner, of course, the first ignition source 6 can also theoretically be designed as such a hook spark plug. It is also conceivable that the first ignition source 6 has a passive central prechamber spark plug.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb der in den vorherigen Absätzen beschriebenen Brennkraftmaschine 1 wird in einem Teillastbetrieb 9 ein Kraftstoff-/Luftgemisch durch die zweite Zündquelle 5 im Brennraum gezündet. Dieser Teillastbetrieb 9 kann beispielsweise auch eine Kaltstartphase, ein Aufheizen eines Katalysators und/oder einen Niedriglastbetrieb bzw. einen Leerlauf umfassen, in welchem die erste Zündquelle 6 nicht oder nur unzureichend funktioniert. Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass die erste Zündquelle 6 auch im Teillastbetrieb zumindest temporär aktiv gezündet wird, um einer Verkokung in der Vorkammer 4 vorzubeugen. Im Volllastbetrieb 10 wird das Kraftstoff-/Luftgemisch im Brennraum durch die erste Zündquelle 6 in der Vorkammer 4 gezündet, wobei hier beispielsweise ein Druck pme von größer als 12 bar bzw. ein Ladedruck p > 1000 mbar herrscht. Bei diesen Bedingungen kann eine Vorkammerzündung mit deutlichen Wirkungsgradvorteilen durchgeführt werden, was sich positiv auf die Abgaswerte auswirkt. Ab einer vordefinierten Last, beispielsweise einem vordefinierten Druck pme bis ca. 15 bar bzw. einem Ladedruck p von ca. 1200 mbar, sollte die beispielsweise als Hakenzündkerze ausgebildete zweite Zündquelle 5 abgeschaltet werden, um diese zu schützen, da beispielsweise hohe Durchbruchspannungen unter Volllast bzw. eine hohe Ladungsdichte eine Keramik einer derartigen als Hakenzündkerze ausgebildeten zweiten Zündquelle 5 zerstören und zu Aussetzern führen könnten.In the method according to the invention for operating the internal combustion engine 1 described in the previous paragraphs, a fuel/air mixture is produced in part-load operation 9 by the second Ignition source 5 ignited in the combustion chamber. This part-load operation 9 can also include, for example, a cold start phase, heating of a catalytic converter and/or low-load operation or idling, in which the first ignition source 6 does not function or functions only insufficiently. Of course, it is conceivable that the first ignition source 6 is also actively ignited at least temporarily in partial-load operation in order to prevent coking in the antechamber 4 . In full-load operation 10, the fuel/air mixture in the combustion chamber is ignited by the first ignition source 6 in the antechamber 4, with a pressure pme of greater than 12 bar or a boost pressure p>1000 mbar prevailing here, for example. Under these conditions, pre-chamber ignition can be carried out with significant advantages in terms of efficiency, which has a positive effect on the exhaust gas values. Above a predefined load, for example a predefined pressure pme of up to approx. 15 bar or a boost pressure p of approx A high charge density could destroy a ceramic of such a second ignition source 5 designed as a hook spark plug and lead to misfires.

Im Mischbetrieb 11 werden das Kraftstoff-/Luftgemisch in der Vorkammer 4 und das Kraftstoff-/Luftgemisch im Brennraum gleichzeitig oder nacheinander durch die erste Zündquelle 6 in der Vorkammer 4 und durch die zweite Zündquelle 5 im Brennraum gezündet. In diesem Mischbetrieb, beispielsweise in einem Bereich mit einem Druck pme zwischen 4 und 12 bar, ist es besonders vorteilhaft hinsichtlich eines Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine 1, eine Zündung des Kraftstoff-/Luftgemischs über beide Zündquellen 6, 5 zu bewirken und dadurch den Übertrag des Betriebs der klassischen Hakenzündkerze zur Vorkammerzündung zu gewährleisten.In mixed operation 11, the fuel/air mixture in the antechamber 4 and the fuel/air mixture in the combustion chamber are ignited simultaneously or successively by the first ignition source 6 in the antechamber 4 and by the second ignition source 5 in the combustion chamber. In this mixed operation, for example in a range with a pressure pme between 4 and 12 bar, it is particularly advantageous with regard to the efficiency of the internal combustion engine 1 to ignite the fuel/air mixture via both ignition sources 6, 5 and thereby carry over the operation of the classic hook spark plug for prechamber ignition.

Alles in allem kann mit der Brennkraftmaschine 1 und dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren ein verbrauchs- und emissionsoptimierter Betrieb der Brennkraftmaschine 1 erreicht werden.All in all, with the internal combustion engine 1 and the operating method according to the invention, operation of the internal combustion engine 1 that is optimized in terms of consumption and emissions can be achieved.

Claims

Method for operating an internal combustion engine (1) with a cylinder head (3) with a passive pre-chamber (4) per cylinder, which is flow-connected to a combustion chamber, a first ignition source (6) entering the pre-chamber (4) and a second ignition source (5 ) opens into the combustion chamber outside the antechamber (4), with an inlet side (E) with two inlet valve openings (EV) and an outlet side (A) with two outlet valve openings (AV), with an injection device (8) opening into the combustion chamber, the injection device (8) being arranged on the outlet side (A), the second ignition source (5) being arranged on the inlet side (E), the antechamber (4) being arranged in a central region (Z) of a combustion chamber top surface (7). is, in which - In a first part-load operation (9), a fuel/air mixture is ignited by the second ignition source (5) in the combustion chamber, - In a full-load operation (10), the fuel/air mixture is ignited by the first ignition source (6) in the antechamber (4), - In a mixed operation (11), the fuel/air mixture in the prechamber (4) and the fuel/air mixture in the combustion chamber simultaneously or successively through the first ignition source (6) in the prechamber (4) and through the second ignition source (5) be ignited in the combustion chamber.

procedure after claim 1 , characterized in that the partial load operation (9) comprises a cold start of the internal combustion engine (1) and/or heating of a catalytic converter and/or idling.

procedure after claim 1 or 2 , characterized in that in full-load operation (10) there is a pressure pme> 12 bar, in particular pme> 15 bar, in the combustion chamber.

Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that in mixed operation (11) there is a pressure pme 4 bar <pme <12 bar in the combustion chamber.