DE102022119725A1

DE102022119725A1 - Vorkammereinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102022119725A1
Application number: DE102022119725.5A
Authority: DE
Inventors: Christoph Reichmann; Laura Baumgartner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-08-05
Filing date: 2022-08-05
Publication date: 2024-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorkammereinrichtung (2) für eine Verbrennungskraftmaschine (1), mit einer Vorkammer (7), mit mehreren Überströmöffnungen, über welche die Vorkammer (7) mit einem Brennraum (3) der Verbrennungskraftmaschine (1) fluidisch verbindbar und zumindest ein Teil eines einen Kraftstoff (14) und Luft umfassenden Gemisches aus dem Brennraum (3) in die Vorkammer (7) einleitbar ist, und mit einem Zündelement (11), mittels welchem in der Vorkammer (7) wenigstens ein Zündfunke zum Zünden des über die Überströmöffnungen in die Vorkammer (7) eingeleiteten Teils erzeugbar ist, wobei wenigstens ein Heizelement (20), mittels welchem der Kraftstoff vor dessen Einleitung in die Vorkammer (7) erwärmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorkammereinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Der DE 10 2021 103 019 A1 ist ein Verfahren als bekannt zu entnehmen, bei welchem ein erstes Luft-Kraftstoff-Gemisch in einer Vorkammer eines Zylinders während eines Ausstoßtakts des Zylinders als Reaktion auf Verschmutzung der Vorkammer verbrannt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorkammereinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, eine solche Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, so dass ein besonders vorteilhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorkammereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorkammereinrichtung für eine auch als Verbrennungsmotor oder Motor bezeichnete Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass das einfach auch als Fahrzeug bezeichnete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine aufweist und mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine weist dabei die Vorkammereinrichtung auf. Beispielsweise ist die Verbrennungskraftmaschine als ein Hubkolbenmotor ausgebildet. Die Vorkammereinrichtung weist eine Vorkammer sowie mehrere Überströmöffnungen auf, welche insbesondere als Durchgangsöffnungen ausgebildet sind. Über die Überströmöffnungen ist die Vorkammer mit einem auch als Hauptbrennraum der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbindbar oder verbunden. Über die Überströmöffnungen ist zumindest ein Teil eines insbesondere zunächst in dem Brennraum aufgenommenen oder aufnehmbaren, einfach auch als Gemisch bezeichneten Kraftstoff-Luft-Gemisches aus dem Brennraum in die Vorkammer einleitbar, wobei das Gemisch einen insbesondere flüssigen Kraftstoff sowie Luft umfasst. Das Gemisch kann gegebenenfalls wenigstens einen weiteren Bestandteil wie beispielsweise rückgeführtes Abgas umfassen. Dies bedeutet, dass die Verbrennungskraftmaschine in ihrem vollständig hergestellten Zustand den Brennraum und die dem Brennraum zugeordnete Vorkammereinrichtung aufweist, deren Vorkammer über die Überströmöffnungen fluidisch mit dem Brennraum verbunden und beispielsweise ansonsten fluidisch von dem Brennraum getrennt ist. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Überströmöffnungen die einzigen fluidischen Verbindungen zwischen dem Brennraum und der Vorkammer bilden. Die Überströmöffnungen münden einerseits, insbesondere einen Ends, in die Vorkammer. Andererseits, insbesondere andern Ends, münden die Überströmöffnungen in eine Umgebung der Vorkammereinrichtung. Im vollständig hergestellten Zustand der Verbrennungskraftmaschine münden die Überströmöffnungen andererseits, insbesondere andern Ends, in den auch als Hauptbrennraum bezeichneten Brennraum, wodurch in vollständig hergestelltem Zustand der Verbrennungskraftmaschine die Vorkammer über die Überströmöffnungen fluidisch mit dem Brennraum verbunden ist. Die Vorkammer und somit die Vorkammereinrichtung werden insbesondere verwendet, um, insbesondere in einem befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und ganz insbesondere innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine, eine Vorkammerzündung durchzuführen.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Vorkammer mit Ausnahme von jeweiligen, durch die jeweiligen Überströmöffnungen gebildeten, fluidischen Verbindungen zwischen der Vorkammer und dem Brennraum von dem Brennraum vollständig fluidisch getrennt ist. In vollständig hergestelltem Zustand der Verbrennungskraftmaschine ist der Brennraum beispielsweise teilweise durch einen Kolben sowie beispielsweise teilweise durch einen Zylinder begrenzt, in welchem der Kolben bewegbar, insbesondere translatorisch bewegbar, aufgenommen sein kann. Beispielsweise wird, insbesondere innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine, in dem Brennraum das genannte Gemisch gebildet, wobei zumindest der genannte Teil des Gemischs insbesondere dann, wenn sich der Kolben in Richtung seines oberen Totpunkts oder in seinem oberen Totpunkt bewegt, aus dem Brennraum (Hauptbrennraum) durch die Überströmöffnungen hindurchströmt und somit über die Überströmöffnungen in die Vorkammer hineinströmt, mithin in die Vorkammer eingeleitet wird. Der die Überströmöffnungen durchströmende und dadurch über die Überströmöffnungen aus dem Brennraum in die Vorkammer einströmende Teil des Gemisches wird auch als erster Teil des Gemisches bezeichnet. Insbesondere ist es denkbar, dass der Kolben, insbesondere auf seinem Weg in Richtung seines oberen Totpunkts oder in seinen oberen Totpunkt zumindest den ersten Teil des Gemisches aus dem Hauptbrennraum durch die Überströmöffnungen hindurch fördert und dadurch in die Vorkammer hineinfördert, wodurch zumindest der erste Teil des Gemisches in die Vorkammer eingeleitet wird. Dabei ist es denkbar, dass ein zweiter Teil des Gemisches in dem Hauptbrennraum verbleibt.
Die Vorkammereinrichtung weist außerdem ein Zündelement auf, mittels welchem in der Vorkammer wenigstens ein Zündfunke zum Zünden des über die Überströmöffnungen in die Vorkammer eingeleiteten, ersten Teils, insbesondere innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels, erzeugbar ist. Somit wird beispielsweise, insbesondere des jeweiligen Arbeitsspiels, das in die Vorkammer eingeströmte beziehungsweise eingeleitete Gemisch, das heißt der erste Teil gezündet, insbesondere dadurch, dass, insbesondere des jeweiligen Arbeitsspiels, in der Vorkammer mittels des Zündelements der Zündfunke erzeugt wird. Beispielsweise ist oder umfasst das Zündelement wenigstens eine Elektrode, mittels welcher der Zündfunke erzeugt wird. Insbesondere weist beispielsweise das Zündelement wenigstens oder genau zwei Elektroden auf, mittels welchen der Zündfunke erzeugt wird, insbesondere derart, dass der Zündfunke zwischen den Elektroden erzeugt wird. Mittels des Zündfunkens wird das in die Vorkammer eingeströmte und somit in der Vorkammer aufgenommene Gemisch gezündet und dadurch verbrannt. In der Folge strömt das brennende Gemisch aus der Vorkammer durch die Überströmöffnungen hindurch und über die Überströmöffnungen zurück in den Hauptbrennraum, beispielsweise entweder in Form von brennenden Fackeln oder Strahlen, die die Überströmöffnungen durchströmen. Dadurch, dass das brennende Gemisch aus der Vorkammer die Überströmöffnungen durchströmt und somit über die Überströmöffnungen aus der Vorkammer in den Hauptbrennraum strömt, wird das verbliebene, übrige Gemisch in dem Hauptbrennraum, mithin der zuvor genannte zweite Teil gezündet und in der Folge verbrannt. Hierdurch wird beispielsweise der Kolben angetrieben und dadurch in Richtung seines unteren Totpunkts oder in seinem unteren Totpunkt bewegt. Beispielsweise ist oder umfasst das Zündelement eine Zündkerze, mittels welcher der Zündfunke in der Vorkammer, insbesondere innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels, erzeugt wird, so dass beispielsweise die Elektrode Bestandteil der Zündkerze sein kann. Dabei ist es denkbar, dass das Zündelement, insbesondere die Zündkerze, separat von einem die Vorkammer, insbesondere direkt, bildenden, oder begrenzenden Vorkammerelement ist, wobei die Zündkerze mit dem Kammerelement verbunden, insbesondere verschraubt, sein kann. Mit anderen Worten ist es denkbar, dass das Kammerelement und das Zündelement, insbesondere die Zündkerze, separat, das heißt unabhängig voneinander ausgebildete Einrichtungen sind, so dass die Vorkammer beispielsweise unabhängig von dem Zündelement, insbesondere durch das Kammerelement, gebildet ist. Hierdurch kann ein besonders großes, auch als Vorkammervolumen bezeichnetes Volumen der Vorkammer realisiert werden, so dass eine besonders hohe Leistung der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
Die Überströmöffnungen sind insbesondere einzelne Öffnungen und somit voneinander beabstandet, so dass zwischen den Überströmöffnungen beziehungsweise zwischen jeweils zwei der Überströmöffnungen ein als Festkörper ausgebildeter Wandungsbereich der Vorkammereinrichtung, insbesondere des Kammerelements, angeordnet ist, wobei der Wandungsbereich auch als Steg oder Zwischensteg bezeichnet wird.
Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, welche auch als Vorkammermotor bezeichnet wird, realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorkammereinrichtung wenigstens ein Heizelement aufweist, mittels welchem der Kraftstoff vor dessen Einleitung in die Vorkammer erwärmbar ist. Insbesondere ist es vorzugsweise vorgesehen, dass mittels des Heizelements der Kraftstoff vor dessen Einleitung oder Einbringung in den Hauptbrennraum erwärmbar ist. Das Erwärmen des Kraftstoffes vor dessen Einleitung in die Vorkammer insbesondere vor dessen Einleitung in den Hauptbrennraum, wird auch als Vorwärmen oder Vorwärmung des Kraftstoffes bezeichnet. Durch das Vorwärmen des Kraftstoffes kann eine besonders vorteilhafte Kaltstartfähigkeit realisiert werden. Außerdem kann durch das Vorwärmen des Kraftstoffes ein besonders vorteilhafter, insbesondere ruhiger, Motorlauf der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, insbesondere bei einer sehr geringen Last der Verbrennungskraftmaschine, ganz insbesondere bei Minimallast der Verbrennungskraftmaschine und somit beispielsweise im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine. Die Erfindung geht insbesondere davon aus, dass Vorkammermotoren, insbesondere dann, wenn sie als fremdgezündete Motoren, insbesondere als fremdgezündete Benzin- beziehungsweise Ottomotoren ausgebildet sind, üblicherweise vor allem bei kalten Temperaturen, beispielsweise eines Kühlmittels, von Bauteilen, eines beispielsweise als Öl ausgebildeten Schmiermittels, etc. ein schlechtes Kaltstartverhalten, einen unrunden Leerlauf sowie Probleme bei einem Katalysatorheizen insbesondere durch unvollständige Verbrennung bis hin zu Aussetzern aufweisen. Daher kann herkömmlicherweise ein Vorkammermotor nicht im gesamten Kennfeldbereich und unter allen Betriebstemperaturen wunschgemäß betrieben werden. Es wurde gefunden, dass die Verbrennung des Gemisches bei kalten Temperaturen aufgrund einer schlechten Verbrennungsstabilität nur unzureichend abläuft, was insbesondere zu einem schlechten Kaltstartverhalten, einem unrunden Leerlauf sowie zu Problemen beim Katalysatorheizen führt. Als Ursache dieses Problems wurden kalte, den Hauptbrenner und/oder die Vorkammer, insbesondere direkt, begrenzende Wandungen identifiziert sowie ein ungünstiges Oberflächen-/Volumenverhältnis und eine herkömmlicherweise inhomogene Kraftstoffverteilung durch ein schlechtes Verdampfen des Kraftstoffes bei den kalten Temperaturen.
Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können vermieden werden. Durch das vorab Erwärmen des Kraftstoffes befindet sich der Kraftstoff bei hohem Druck, unter welchem der Kraftstoff beispielsweise aus einem Injektor ausgespritzt und eingespritzt wird, und hohen Temperaturen in einem überkritischen oder superkritischen Zustand und verdampft nach seiner Einspritzung beziehungsweise Ausspritzung aus dem Injektor schlagartig, was auch als Flash Boiling bezeichnet wird. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Kraftstoff vor dessen Einleitung in die Vorkammer mittels des Heizelements derart, insbesondere stark, erwärmt wird, dass der Kraftstoff bei seiner Ausspritzung aus dem Injektor schlagartig verdampft. Dadurch kann eine übermäßige, auch als Wandbenetzung bezeichnete Benetzung der zuvor genannten Brennraumwandungen vermieden werden, und es kann eine besonders vorteilhafte Homogenisierung oder Homogenität des Gemisches gewährleistet werden. Die gute Verdampfung des Kraftstoffes sowie das homogene Gemisch zumindest nahezu ohne zurückbleibende Tröpfchen führen zu einer vorteilhaften Zündfähigkeit des Gemisches und damit zu einer vorteilhaften Verbrennungsstabilität der auch als Vorkammerzündung bezeichneten Zündung des in dem Hauptbrennraum verbliebenen Gemisches. Die Erfindung ermöglicht somit einen besonders vorteilhaften Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen oder konventionellen Lösungen, bei denen durch Durchführen einer konventionellen Einspritzung das Gemisch einzelne entweder zu fette oder zu magere Bereiche aufweist, die zudem nur schlecht in die Vorkammer und somit zu einer auch als Zündquelle bezeichneten Zündstelle transportiert werden, an welcher der Zündfunke erzeugbar ist oder erzeugt wird.
Um den Kraftstoff in kurzer Zeit besonders stark und somit effektiv sowie effizient erwärmen, insbesondere vorwärmen, zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Heizelement als ein elektrisches Heizelement, mithin als ein elektrisch betreibbares Heizelement ausgebildet ist. Somit kann der Kraftstoff mittels des Heizelements unter Nutzung oder Verwendung von elektrischer Energie erwärmt, insbesondere vorgewärmt, werden. Beispielsweise kann das Heizelement als ein Heizstift ausgebildet sein.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich durch den zuvor genannten Injektor aus, der dem Brennraum zugeordnet ist. Mittels des Injektors kann der Kraftstoff an einer außerhalb der Vorkammer angeordneten, auch als Einspritzstelle bezeichneten Einbringstelle aus dem Injektor ausgespritzt und dadurch zumindest mittelbar in den Brennraum eingebracht werden. Mit anderen Worten kann der Injektor den Kraftstoff an der Einbringstelle aus dem Injektor ausspritzen und dadurch an der Einbringstelle einspritzen. Die Einbringstelle kann in dem Hauptbrennraum angeordnet sein, so dass mittels des Injektors eine Direkteinspritzung durchführbar ist, mittels welcher der Kraftstoff direkt in den Hauptbrennraum einspritzbar ist. Ferner ist es denkbar, dass die Einbringstelle außerhalb des Brennraums und beispielsweise in Strömungsrichtung der in den Brennraum einströmenden Luft stromauf des Brennraums angeordnet ist. Dann kann beispielsweise der aus dem Injektor ausgespritzte Kraftstoff von der Einbringstelle in den Hauptbrennraum strömen, insbesondere derart, dass der an der Einbringstelle aus dem Injektor ausgespritzte Kraftstoff von der in den Hauptbrennraum strömenden Luft mitgenommen und dadurch von der Einbringstelle in den Hauptbrennraum transportiert wird.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Heizelement an und/in dem Injektor angeordnet ist. Dadurch kann der Kraftstoff in kurzer Zeit besonders stark erwärmt werden, so dass eine besonders gute Kaltstartfähigkeit realisiert werden kann. Insbesondere kann dadurch mittels des Heizelements der in dem Injektor aufgenommene beziehungsweise den Injektor durchströmende Kraftstoff effektiv und effizient erwärmt werden. Insbesondere ist denkbar, dass das als Heizstift ausgebildete Heizelement in den Injektor eingebracht, das heißt in dem Injektor angeordnet ist.
Bei einer Ausführungsform ist die Einbringstelle sowohl außerhalb der Vorkammer als auch außerhalb des Brennraums angeordnet, derart, dass die Einbringstelle in Strömungsrichtung der zu dem Brennraum strömenden und in den Brennraum strömenden Luft stromauf des Brennraums angeordnet ist. Dabei ist beispielsweise die Einbringstelle in einem Einlasskanal angeordnet, welcher von der Luft durchströmbar ist und in Strömungsrichtung der den Einlasskanal durchströmenden und zu dem und in den Brennraum strömenden Luft stromauf des Brennraums angeordnet ist. Beispielsweise ist der Einlasskanal durch ein Saugrohr, insbesondere direkt, gebildet oder begrenzt. Dadurch kann der Kraftstoff besonders vorteilhaft erwärmt werden, bevor er in die Vorkammer strömt. Ist die Einbringstelle außerhalb des Brennraums und in dem stromauf des Brennraums angeordneten und von Luft durchströmbaren Einlasskanal angeordnet, so wird der an der Einbringstelle aus dem Injektor ausgespritzte Kraftstoff von der den Einlasskanal durchströmenden Luft mitgenommen und von der Einbringstelle zunächst in den Hauptbrennraum gefördert. Von dem Hauptbrennraum kann zumindest der erste Teil des Gemisches die Überströmöffnungen durchströmen und dadurch in die Vorkammer einströmen.
Um einen besonders effizienten und somit vorteilhaften Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können, ist bei einer weiteren Ausführungsform ein weiterer Injektor vorgesehen, welcher zusätzlich zu dem ersten Injektor vorgesehen ist. Der weitere Injektor ist einem weiteren Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet, deren weiterer Brennraum zusätzlich zu dem ersten Brennraum vorgesehen ist. Mittels des weiteren Injektors kann der Kraftstoff an einer außerhalb der Vorkammer angeordneten und von der Einbringstelle beabstandeten, weiteren Einbringstelle aus dem weiteren Injektor ausgespritzt und dadurch an der weiteren Einbringstelle eingespritzt werden, wodurch der aus dem weiteren Injektor ausgespritzte Kraftstoff zumindest mittelbar in den weiteren Brennraum eingebracht werden kann. Dabei ist ein den Injektoren gemeinsames, auch als Rail oder Common-Rail bezeichnetes Kraftstoffverteilungselement vorgesehen, in welchem der Kraftstoff vorübergehend, insbesondere unter einem Einspritzdruck, aufnehmbar ist. Die Injektoren sind mit dem in dem Kraftstoffverteilungselement vorübergehend aufnehmbaren oder aufgenommenen und den Einspritzdruck aufweisenden Kraftstoff versorgbar, so dass der jeweilige Injektor den Kraftstoff besonders vorteilhaft mit dem Einspritzdruck ausspritzen und somit einspritzen kann.
Um dabei den Kraftstoff für die Injektoren effizient und effektiv sowie kostengünstig erwärmen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Heizelement an und/oder in dem Kraftstoffverteilungselement angeordnet ist. Dadurch kann mittels des Heizelements der in dem Kraftstoffverteilungselement zumindest vorübergehend aufnehmbare und beispielsweise das Kraftstoffverteilungselement durchströmende Kraftstoff erwärmt werden, insbesondere bevor er in dem jeweiligen Injektor aufgenommen ist.
Das Heizelement kann dabei beispielsweise als ein Heizstift ausgebildet sein, welcher in das Kraftstoffverteilungselement eingebracht, das heißt in dem Kraftstoffverteilungselement angeordnet ist. Ferner ist es denkbar, dass das Heizelement als ein Einleger ausgebildet ist, der beispielsweise in den Injektor beziehungsweise in das Kraftstoffverteilungselement eingebracht, das heißt in dem Injektor beziehungsweise in dem Kraftstoffverteilungselement angeordnet ist. Beispielsweise ist das Heizelement, insbesondere der Einleger, eine insbesondere flächige Heizmatte, mittels welcher eine effektive und effiziente Erwärmung, insbesondere Vorwärmung, des Kraftstoffes darstellbar ist.
Um einen besonders vorteilhaften Motorlauf der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in deren Leerlauf, sowie eine besonders gute Kaltstartfähigkeit zu realisieren, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Heizelement dazu ausgebildet ist, den Kraftstoff vor dessen Einbringung, insbesondere direkten Einspritzung, in den Brennraum zu erwärmen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Vorkammereinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Verfahren weist die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Brennraum sowie wenigstens eine Vorkammereinrichtung auf, welche insbesondere dem Brennraum zugeordnet ist. Die Vorkammereinrichtung weist eine Vorkammer und mehrere Überströmöffnungen auf, über welche die Vorkammer mit dem auch als Hauptbrennraum bezeichneten Brennraum fluidisch verbunden ist. Über die Überströmöffnungen ist zumindest ein Teil eines einen Kraftstoff und Luft umfassenden Gemisches aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer einleitbar. Die Vorkammereinrichtung weist außerdem ein Zündelement auf, mittels welchem in der Vorkammer wenigstens ein Zündfunke zum Zünden des über die Überströmöffnungen in die Vorkammer eingeleiteten Teils des Gemisches erzeugt wird, insbesondere innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine.
Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisieren zu können, ist es bei einem dritten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass mittels wenigstens eines Heizelements der Kraftstoff vor dessen Einleitung oder Einbringung in die Vorkammer erwärmt wird. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts und des zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einer Vorkammereinrichtung; und
2 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht der Verbrennungskraftmaschine.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht eine als Hubkolbenmotor ausgebildete und einfach auch als Motor oder Verbrennungsmotor bezeichnete Verbrennungskraftmaschine 1 eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass das vorzugsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildete und einfach auch als Fahrzeug bezeichnete Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand die Verbrennungskraftmaschine 1 aufweist und mittels der Verbrennungskraftmaschine 1 antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 1 weist eine Vorkammereinrichtung 2 auf. Des Weiteren weist die Verbrennungskraftmaschine 1 wenigstens einen Brennraum 3 auf, in welchem während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine Verbrennungsvorgänge ablaufen. Der jeweilige Verbrennungsvorgang läuft insbesondere innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 1 ab. Bei dem jeweiligen Verbrennungsvorgang wird, insbesondere innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 1, ein einfach auch als Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet und verbrannt, wobei das Gemisch zumindest Luft und einen insbesondere flüssigen Kraftstoff aufweist. Der Brennraum 3 ist beispielsweise teilweise durch einen Zylinder 4 der Verbrennungskraftmaschine 1 und teilweise durch einen Kolben 5 der Verbrennungskraftmaschine 1 begrenzt, wobei der Kolben 5, insbesondere translatorisch, bewegbar in dem Zylinder 4 angeordnet ist. Innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wird in dem auch als Hauptbrennraum bezeichneten Brennraum 3 das Gemisch gebildet. Es ist erkennbar, dass der Zylinder 4, insbesondere direkt, durch eine auch als Brennraumwand oder Brennraumwandung oder Zylinderwand bezeichnete Zylinderwandung 6 begrenzt ist. Die Zylinderwandung 6 ist beispielsweise durch ein Zylinderkurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine 1 gebildet.
Die dem Brennraum 3 zugeordnete Vorkammereinrichtung 2 ist dazu ausgebildet, das Gemisch in dem Brennraum 3 zu zünden. Hierzu weist die Vorkammereinrichtung 2 eine Vorkammer 7 und mehrere, in den Figuren nicht erkennbare Überströmöffnungen auf, über welche die Vorkammer 7 mit dem Brennraum 3 fluidisch verbunden ist.
Der Brennraum 3 ist auch durch ein Brennraumdach 8 teilweise begrenzt, wobei das Brennraumdach 8 beispielsweise durch ein Gehäuseelement, insbesondere einen Zylinderkopf, der Verbrennungskraftmaschine 1 gebildet ist. Das Gehäuseelement und das Zylinderkurbelgehäuse sind vorzugsweise separat voneinander ausgebildet und miteinander verbunden. Bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vorkammer 7 zumindest überwiegend, insbesondere vollständig, durch ein Kammerelement 9, insbesondere direkt, begrenzt. Das Kammerelement 9 kann separat von dem in 1 mit 10 bezeichneten Gehäuseelement ausgebildet und mit dem Gehäuseelement 10 verbunden sein, oder aber das Gehäuseelement 10 und das Kammerelement 9 sind einstückig miteinander ausgebildet, mithin aus einem einzigen Stück gebildet und somit durch einen Monoblock gebildet oder als ein Monoblock ausgebildet.
Die Überströmöffnungen der Vorkammereinrichtung 2 sind zumindest von einem ersten Teil des Gemisches aus dem Brennraum 3 durchströmbar, so dass über die Überströmöffnungen zumindest der erste Teil des Gemisches aus dem Brennraum 3 in die Vorkammer 7 eingeleitet werden kann oder eingeleitet wird, insbesondere innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels. Beispielsweise auf seinem Weg in Richtung seines oberen Totpunkts oder in seinem oberen Totpunkt fördert, insbesondere drückt, der Kolben 5 zumindest den ersten Teil des Gemisches aus dem Brennraum 3 durch die Überströmöffnungen hindurch und somit in die Vorkammer 7 hinein, wodurch zumindest der erste Teil des Gemisches über die Überströmöffnungen in die Vorkammer 7 aus dem Brennraum 3 eingeleitet wird. Beispielsweise verbleibt zumindest ein zweiter Teil des Gemisches in dem auch als Hauptbrennraum bezeichneten Brennraum 3 zurück.
Die Vorkammereinrichtung 2 weist des Weiteren ein Zündelement 11 auf. Bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Zündelement 11 separat von dem Gehäuseelement 10 ausgebildet und an dem Gehäuseelement 10 befestigt. Beispielsweise ist das Zündelement 11 eine Zündkerze. Es ist erkennbar, dass das Zündelement 11 zumindest teilweise in der Vorkammer 7 angeordnet ist. Innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels wird mittels des Zündelements 11 wenigstens oder genau ein Zündfunke in der Vorkammer 7 erzeugt. Durch den Zündfunke wird das in die Vorkammer 7 eingeleitete und somit in der Vorkammer 7 aufgenommene Gemisch, das heißt der erste Teil des Gemisches gezündet und dadurch verbrannt. Der gezündete und dadurch brennende, erste Teil des Gemisches strömt durch die Überströmöffnungen hindurch und somit über die Überströmöffnungen aus der Vorkammer 7 zurück in den Hauptbrennraum, in welchem das im den Hauptbrennraum verbliebene Gemisch, mithin der zweite Teil des Gemisches, gezündet und in der Folge verbrannt wird. Es ist denkbar, dass das Zündelement 11 separat von dem Kammerelement 9 ausgebildet und beispielsweise, insbesondere direkt, mit dem Kammerelement 9 verbunden ist. Beispielsweise ist das Zündelement 11 mit dem Kammerelement 9 verschraubt.
In 1 veranschaulicht ein Pfeil 12 eine Bewegung des Kolbens 5 in Richtung des unteren Totpunkts oder in den unteren Totpunkt des Kolbens 5.
Dem Brennraum 3 ist ein in den Figuren besonders schematisch dargestellter Injektor 13 zugeordnet, welcher den in 1 besonders schematisch in Form einer Kraftstoffwolke dargestellten und mit 14 bezeichneten Kraftstoff ausspritzt und dadurch an einer Einbringstelle E einspritzt. Mit anderen Worten spritzt der Injektor 13 den Kraftstoff 14 an der Einbringstelle E aus sich heraus. Die Einbringstelle E ist sowohl außerhalb des Hauptbrennraums als auch außerhalb der Vorkammer 7 angeordnet.
In 1 ist erkennbar, dass die Verbrennungskraftmaschine 1 einen von der Luft durchströmbaren Einlasskanal 15 aufweist. Der Einlasskanal 15 ist beispielsweise durch das Gehäuseelement 10 und/oder durch ein separat von dem Gehäuseelement 10 ausgebildetes und zumindest mittelbar, insbesondere direkt, mit dem Gehäuseelement 10 verbundenes Leitungselement, beispielsweise ein Saugrohr gebildet. Die Einbringstelle E ist in dem Einlasskanal 15 und somit stromauf des Brennraums 3 angeordnet, wobei die Einbringstelle E sowohl außerhalb des Brennraums 3 als auch außerhalb der Vorkammer 7 angeordnet ist. Mittels des Injektors 13 wird somit eine so genannte Saugrohreinspritzung durchgeführt, wobei welche an der Einbringstelle E der Kraftstoff 14 aus dem Injektor 13 ausgespritzt und in den Einlasskanal 15 eingespritzt wird. Die den Einlasskanal 15 durchströmende Luft nimmt auf ihrem Weg zu dem und in den Brennraum 3 den an der Einbringstelle E eingespritzten Kraftstoff 14 mit und transportiert oder fördert ihn in den Brennraum 3, was in 1 durch Pfeile 16 veranschaulicht ist.
Aus 1 ist auch erkennbar, dass dem Einlasskanal 15 ein als Einlassventil 17 ausgebildetes, erstes Gaswechselventil zugeordnet ist. Das Einlassventil 17 kann zwischen einer den Einlasskanal 15 versperrenden und dadurch fluidisch von dem Brennraum 3 trennenden Schließstellung und wenigstens einer Offenstellung relativ zu dem Gehäuseelement 10, insbesondere translatorisch, bewegt werden, wobei in der Offenstellung des Einlassventils 17 der Einlasskanal 15 fluidisch mit dem Brennraum 3 verbunden ist.
Dem Brennraum 3 ist auch ein Auslasskanal 18 zugeordnet. Durch das Verbrennen des Gemisches entsteht ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1. Das Abgas kann aus dem Brennraum 3 ausströmen und in den Auslasskanal 18 einströmen und somit über den Auslasskanal 18 von dem Brennraum 3 abgeführt werden. Dem Auslasskanal 18 ist ein als Auslassventil 19 ausgebildetes, zweites Gaswechselventil zugeordnet. Das Auslassventil 19 kann zwischen einer Schließstellung beziehungsweise einer Offenstellung, insbesondere relativ zu dem Gehäuseelement 10 und/oder translatorisch bewegt werden. In der Schließstellung des Auslassventils 19 ist mittels des Auslassventils 19 der Brennraum 3 fluidisch von dem Auslasskanal 18 getrennt. Mit anderen Worten ist in der Schließstellung des Auslassventils 19 der Auslasskanal 18 fluidisch versperrt. In der Offenstellung des Auslassventils 19 ist der Auslasskanal 18 fluidisch mit dem Brennraum 3 verbunden.
Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb, insbesondere eine besonders vorteilhafte Kaltstartfähigkeit sowie einen besonders vorteilhaften, insbesondere ruhigen, Motorlauf der Verbrennungskraftmaschine 1 insbesondere in deren Leerlauf realisieren zu können, weist die Vorkammereinrichtung 2 ein vorliegend dem Injektor 13 zugeordnetes Heizelement 20 auf, mittels welchem der Kraftstoff 14 vor dessen Einleitung in die Vorkammer 7, insbesondere vor dessen Einspritzung in den Einlasskanal 15, erwärmbar, das heißt vorwärmbar ist, insbesondere erwärmt und somit vorgewärmt wird.
Bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 20 als ein elektrisches Heizelement ausgebildet, welches beispielsweise an und/in dem Injektor 13 angeordnet ist. Insbesondere umgibt das Heizelement 20 zumindest einen Teilbereich des Injektors 13. Der Kraftstoff 14 kann den Injektor 13 durchströmen. Mittels des Heizelements 20 kann, insbesondere über den Injektor 13, das heißt insbesondere über den genannten Teilbereich des Injektors 13, der den Injektor 13 durchströmende und somit zumindest vorübergehend in dem Injektor 13 aufgenommene Kraftstoff 14 erwärmt werden, bevor der Kraftstoff 14 an der Einbringstelle E in den Einlasskanal 15 eingespritzt wird. Durch diese Vorwärmung des Kraftstoffes 14 kommt es, wie aus 2 erkennbar ist, zu einer schlagartigen Verdampfung des Kraftstoffes 14, wenn dieser an der Einbringstelle E aus dem Injektor 13 ausgespritzt wird. Somit kann eine übermäßige Benetzung der Zylinderwandung 6 sowie anderer Wandungen mit dem Kraftstoff 14 vermieden werden, so dass eine stabile Verbrennung des Gemisches und somit ein besonders vorteilhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Vorkammereinrichtung
3: Brennraum
4: Zylinder
5: Kolben
6: Zylinderwandung
7: Vorkammer
8: Brennraumdach
9: Kammerelement
10: Gehäuseelement
11: Zündelement
12: Pfeil
13: Injektor
14: Kraftstoff
15: Einlasskanal
16: Pfeil
17: Einlassventil
18: Auslasskanal
19: Auslassventil
20: Heizelement
E: Einbringstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102021103019 A1 [0002]

Claims

Vorkammereinrichtung (2) für eine Verbrennungskraftmaschine (1), mit einer Vorkammer (7), mit mehreren Überströmöffnungen, über welche die Vorkammer (7) mit einem Brennraum (3) der Verbrennungskraftmaschine (1) fluidisch verbindbar und zumindest ein Teil eines einen Kraftstoff (14) und Luft umfassenden Gemisches aus dem Brennraum (3) in die Vorkammer (7) einleitbar ist, und mit einem Zündelement (11), mittels welchem in der Vorkammer (7) wenigstens ein Zündfunke zum Zünden des über die Überströmöffnungen in die Vorkammer (7) eingeleiteten Teils erzeugbar ist, gekennzeichnet durch wenigstens ein Heizelement (20), mittels welchem der Kraftstoff vor dessen Einleitung in die Vorkammer (7) erwärmbar ist.
Vorkammereinrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (20) als elektrisches Heizelement ausgebildet ist.
Vorkammereinrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen dem Brennraum (3) zugeordneten Injektor (13), mittels welchem der Kraftstoff (14) an einer außerhalb der Vorkammer (7) angeordneten Einbringstelle (E) ausspritzbar und dadurch zumindest mittelbar in den Brennraum (3) einbringbar ist.
Vorkammereinrichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (20) an und/oder in dem Injektor (13) angeordnet ist.
Vorkammereinrichtung (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringstelle (E) außerhalb des Brennraums (3) in einem stromauf des Brennraums (3) angeordneten und von der Luft durchströmbaren Einlasskanal (15) angeordnet ist.
Vorkammereinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass gekennzeichnet durch: - einen einem weiteren Brennraum der Verbrennungskraftmaschine (1) zugeordneten, weiteren Injektor, mittels welchem der Kraftstoff an einer außerhalb der Vorkammer angeordneten und von der Einbringstelle (E) beabstandeten, weiteren Einbringstelle ausspritzbar und dadurch zumindest mittelbar in den weiteren Brennraum einbringbar ist; und - ein den Injektoren gemeinsames Kraftstoffverteilungselement, in welchem der der Kraftstoff vorübergehend aufnehmbar ist, wobei die Injektoren mit dem in dem Kraftstoffverteilungselement vorübergehend aufnehmbaren Kraftstoff versorgbar sind.
Vorkammereinrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (20) an und/oder in dem Kraftstoffverteilungselement angeordnet ist.
Vorkammereinrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (20) dazu ausgebildet ist, den Kraftstoff (14) vor dessen Einbringung in den Brennraum (3) zu erwärmen.
Verbrennungskraftmaschine (1) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Vorkammereinrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs, bei welchem die Verbrennungskraftmaschine (1) aufweist: - wenigstens einen Brennraum (3); - wenigstens eine Vorkammereinrichtung (2), welche aufweist: o eine Vorkammer (7); und o mehrere Überströmöffnungen, über welche die Vorkammer (7) mit dem Brennraum (3) fluidisch verbunden ist und zumindest ein Teil eines einen Kraftstoff (14) und Luft umfassenden Gemisches aus dem Brennraum (3) in die Vorkammer (7) einleitbar ist; und - ein Zündelement (11), mittels welchem in der Vorkammer (7) wenigstens ein Zündfunke zum Zünden des über die Überströmöffnungen in die Vorkammer (7) eingeleiteten Teils erzeugt wird; dadurch gekennzeichnet, dass mittels wenigstens eines Heizelements (20) der Kraftstoff (14) vor dessen Einleitung in die Vorkammer (7) erwärmt wird.