DE102022125072B3 - Selbstzündender Verbrennungsmotor und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen selbstzündenden, als Hubkolbenmotor ausgeführten Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb. Der Verbrennungsmotor weist ein an den Brennraum (10) des Verbrennungsmotors angeschlossenes Zündaggregat (1) auf, welches eine Zündkammer (1.1), einen oder mehrere beheizbare Zündkanäle (1.2) und mindestens eine an dem oder an den Zündkanälen (1.2) anliegende Heizeinheit (1.3) umfasst. Während des Verdichtungstaktes strömt Kraftstoff-Luft-Gemisch (15) durch die Zündkanäle (1.2) und wird hierbei in kurzer zeitlicher Sequenz abgekühlt und wiederaufgeheizt, wodurch höherenergetisches Kraftstoff-Luft-Gemischs (15) entsteht. Die Selbstzündung diese höherenergetischen Kraftstoff-Luft-Gemischs (15) erfolgt in der Zündkammer (1.1); in unmittelbarer Folge wird durch das aus den Zündkanälen (1.2) austretende brennende Gemisch (16) dann das Kraftstoff-Luft-Gemisch (15) im Brennraum (10) gezündet. Der selbstzündende Verbrennungsmotor eignet sich insbesondere zum Betrieb mit schwer entflammbaren Kraftstoffen, wie zum Beispiel Ammoniak.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen selbstzündenden, als Hubkolbenmotor ausgeführten Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb. Der selbstzündende Verbrennungsmotor eignet sich insbesondere zum Betrieb mit schwer entflammbaren Kraftstoffen, wie zum Beispiel Ammoniak.
  • Verbrennungsmotoren in Hubkolbenbauweise besitzen bekanntlich einen Zylinder und einen im Zylinder axial beweglich geführten Kolben, der einen Brennraum im Zylinder zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs einschließt. Die explosionsartige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs verursacht eine axiale, translatorische Bewegung des Kolbens im Zylinder, welche mittels eines an einer Kurbelwelle angebrachten Pleuels in eine rotatorische Bewegung umwandelt wird. Diese Drehbewegung wird letztlich als nutzbare mechanische Energie bzw. Arbeit des Verbrennungsmotors von der Kurbelwelle abgenommen. Durch die Pleuelführung wird der Kolben nach Erreichen des Totpunkts wieder in entgegengesetzter Richtung bewegt. Die vorstehend beschriebenen zyklischen Prozesse und Abläufe in Verbrennungsmotoren sind allgemein bekannt. An den Brennraum sind - ebenfalls in bekannter Weise - ein verschließbarer Einlasskanal zur Zuführung von Frischluft und/oder Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum sowie ein verschließbarer Auslasskanal zum Ausstoßen des verbrannten Kraftstoff-Luft-Gemischs, d. h. der Abgase, angeschlossen.
  • Die Selbstzündung eines komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemischs erfolgt bei selbstzündenden Verbrennungsmotoren überwiegend nach dem von Rudolf Diesel entwickeltem Prinzip, indem Kraftstoff gezielt in komprimierte, erhitzte Luft eingespritzt wird. Die homogene Kompressionszündung dagegen, englisch Homogeneous Charge Compression Ignition, abgekürzt: HCCI, d. h. die Selbstzündung eines sich verdichtenden Kraftstoff-Luft-Gemischs, konnte dagegen infolge des schwierig zu steuernden Zündzeitpunktes bislang allenfalls in Nischen- oder Prototypenanwendungen technisch umgesetzt werden. Wünschenswert ist es zudem, selbstzündende Verbrennungsmotoren auch mit schlecht zündfähigen Kraftstoffen betreiben zu können.
  • Aus DE 11 35 704 A ist eine Vorkammerdieselmaschine mit einer im Brennraum angeordneten heißen Stelle zur Einleitung der Zündung während des normalen Betriebes bekannt, wobei diese Stelle mit der Anlassglühkerze kombiniert ist und wobei die Einspritzdüse auf den Verbindungskanal zwischen Vorkammer und Zylinderraum gerichtet ist und der Verbindungskanal in Richtung des Kraftstoffstrahles verläuft.
  • DE 30 17 948 A1 offenbart eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit einer jeweils dem Hauptbrennraum zugeordneten Zündkammer, die mit dem Hauptbrennraum durch Überströmkanäle verbunden ist.
  • DE 10 2021 106 554 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung mit zumindest einer Gemischaufbereitungs- und Zündanordnung mit einem Zylinderkopf mit zumindest einer in einen Brennraum mündenden Vorkammer, in welche eine erste Zündvorrichtung einmündet.
  • DE 10 2017 215 493 A1 offenbart eine Vorkammeranordnung für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine, wobei ein Vorkammerbrennraum der Vorkammeranordnung mit einem Hauptkammerbrennraum des Zylinders verbunden ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen selbstzündenden Verbrennungsmotor in Hubkolbenbauweise bereitzustellen, der eine gezielt steuerbare Selbstzündung eines sich verdichtenden Kraftstoff-Luft-Gemischs ermöglicht. Zudem sollen schwer entflammbare Kraftstoff-Luft-Gemische gezündet werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch einen selbstzündenden Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 sowie das Verfahren zum Betrieb des selbstzündenden Verbrennungsmotors nach Anspruch 9 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 aufgeführt.
  • Nach Maßgabe der Erfindung weist der Verbrennungsmotor ein Zündaggregat auf, dass an den Verbrennungsmotor angeschlossen oder integrales Teil der Motorenkomponenten ist. Der Verbrennungsmotor, an den das erfindungsgemäße Zündaggregat anschlossen ist, ist ein Hubkolbenmotor in grundsätzlich bekannter Bauweise, d. h. ein Hubkolbenmotor mit einem Zylinder und einem im Zylinder axial beweglich geführten Kolben. Ein durch den Kolben abgeschlossener Innenbereich des Zylinders bildet einen Brennraum zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs. Dieser im Zylinder ausgebildete Brennraum ist - in ebenfalls bekannter Weise - mit einem verschließbaren Einlasskanal verbunden. Der Einlasskanal kann mittels eines Einlassventils - nach konventioneller Bauweise von Viertaktmotoren - oder durch den Kolben selbst - in klassischer Zweitaktmotorenbauweise verschließbar sein. Das Zündaggregat ist an den Brennraum des Verbrennungsmotors angeschlossen, zum Beispiel an die Zylinderkopfwand im Bereich des Brennraums. Im Zündaggregat findet nach Abschluss der Verdichtung die Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs statt; das im Zündaggregat nach Selbstzündung erzeugte brennende Gemisch zündet im unmittelbaren Anschluss das im Brennraum befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch.
  • Das Zündaggregat weist hierzu eine Zündkammer, einen oder mehrere - vorzugsweise gerade verlaufende - beheizbare Zündkanäle und mindestens eine an dem oder an den Zündkanälen anliegende Heizeinheit auf. Die Zündkammer besitzt vorzugsweise ein Volumen im Bereich von 5 % bis 40 %, insbesondere im Bereich von 5 % bis 10 %, des Brennraumvolumens am oberen Totpunkt des Kolbens, welches gemeinhin auch als minimales Kompressionsvolumen oder Restvolumen bezeichnet wird.
  • Der oder die Zündkanäle verbinden den Brennraum mit der Zündkammer, sodass Fluide - je nach Druckverhältnis - vom Brennraum in die Zündkammer oder von der Zündkammer in den Brennraum strömen können. Die Zündkanäle sind jeweils als enger Durchlass, d. h. als Drosselstelle, ausgestaltet. Hierzu können die Zündkanäle zum Beispiel so gestaltet werden, dass die gesamte Querschnittsfläche aller Zündkanäle im Bereich von bis zu 5 % der Querschnittsfläche des Kolbens liegt. Die Querschnittsfläche eines der Zündkanäle ist jeweils dessen Innenquerschnittsfläche senkrecht zur Strömungsrichtung des durchströmenden Fluides; die Querschnittsfläche des Kolbens ist die Querschnittsfläche senkrecht zur Hubbewegungsrichtung des Kolbens.
  • In der einfachsten Ausführung bildet die Zündkammer eine vollkommen geschlossene Kammer, die nur über den oder die Zündkanäle mit dem Brennraum in Verbindung steht.
  • Der selbstzündende Verbrennungsmotor wird als Hubkolbenmotor konventionell im Taktbetrieb, d. h. vorzugsweise im Viertaktbetrieb mit den Takten Ansaugen, Verdichten, Verbrennen (Arbeiten) und Ausstoßen, betrieben. Je nach Ausführung wird Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt. Die an den Brennraum angeschlossene Zündkammer wird während des Ansaugens entgast, d. h., das Druckniveau in der Zündkammer gleicht sich auf das Druckniveau im Brennraum an.
  • Falls ausschließlich Frischluft angesaugt wird, kann der Kraftstoff bereits während des Ansaugens oder im Verlauf des Verdichtens eingespritzt werden, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden. Im Unterschied zum Dieselmotor bestimmt das Einspritzen des Kraftstoffs nicht den Zündzeitpunkt.
  • Während der nachfolgenden Verdichtung, d. h. während der Bewegung des Kolbens zum oberen Totpunkt hin, wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch vom Brennraum durch den oder die Zündkanäle in die Zündkammer des Zündaggregats gedrückt, wobei sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch aufgrund des momentanen Druckgefälles zwischen Brennraum und Zündkammer beim Durchgang durch den Zündkanal, d. h. am Ausgang des Zündkanals, entspannt und infolge des Joule-Thomson-Effekts abkühlt. Um dieser Abkühlung des Kraftstoff-Luft-Gemischs entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß jeder der Zündkanäle während des Verdichtungstaktes zum Aufheizen des durch die Zündkanäle in die Zündkammer strömenden Kraftstoff-Luft-Gemischs mittels der Heizeinheit aufgeheizt.
  • Im weiteren Verlauf der Bewegung des Kolbens zum oberen Totpunkt findet, bei gleichzeitig fortschreitender Verdichtung, ein zunehmender Druckausgleich zwischen Brennraum und Zündkammer statt. Aufgrund der Aufheizung besitzt das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Zündkammer jedoch einen höheren Energieinhalt, wodurch in der Zündkammer früher als im Brennraum die Verhältnisse für die Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erreicht werden.
  • Nach der Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Zündkammer breitet sich das brennende Gemisch explosionsartig aus, wobei die Flammfront des brennenden Gemischs durch den Zündkanal hindurchtritt und das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum zündet. Der Vorteil der Selbstzündung in der Zündkammer gegenüber einer Fremdzündung, beispielsweise mit einer Zündkerze, liegt darin, dass das gesamte in der Zündkammer befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch weitestgehend gleichzeitig zündet und nicht ausgehend von einer einzelnen spezifischen Zündstelle entflammt wird. Hierdurch wird ein deutlich höherer Druckanstieg in der Zündkammer erreicht als bei lokalisierter Fremdzündung. Der hohe Druckanstieg wiederum führt dazu, dass die Flammfront des brennenden Gemischs schnell durch den Zündkanal hindurchtritt und in den Brennraum einschießt. Das turbulente Einströmen des brennenden Gemischs aus der Zündkammer in den Brennraum zündet das Kraftstoff-Luft-Gemisch an mehreren Stellen im Brennraum und verwirbelt es gleichzeitig. Durch die Verbrennung im Brennraum wird der Arbeitsdruck auf den Kolben ausgeübt; der weitere Betrieb des Verbrennungsmotors erfolgt in bekannter Weise.
  • Das Kraftstoff-Luft-Gemisch ist für den bestimmungsgemäßen Betrieb, d. h. ähnlich wie beim Betrieb von Ottomotoren, notwendigerweise so auszuwählen, dass keine Selbstzündung im Brennraum stattfindet, sondern erst durch die vorangehende Selbstzündung in der Zündkammer.
  • Der für die Selbstzündung in der Zündkammer erforderliche, höhere Energieinhalt des Kraftstoff-Luft-Gemisch wird erreicht, indem zunächst eine starke Abkühlung des Kraftstoff-Luft-Gemischs infolge des Joule-Thomson-Effekts erzwungen wird und unmittelbar nachfolgend das abgekühlte Kraftstoff-Luft-Gemisch wiedererwärmt wird. Das im Zündkanal abgekühlte Kraftstoff-Luft-Gemisch kann so wesentlich effektiver erhitzt werden als das verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch als solches. Durch die kombinierte Abkühlung und Aufheizung kann der Energieinhalt des Kraftstoff-Luft-Gemischs in der Zündkammer so stark erhöht werden, dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Zündkammer zündet, ohne dass auch die Selbstzündbedingungen im Brennraum erreicht werden.
  • Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor ermöglicht im Vergleich zu einer direkten Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum den Betrieb mit niedrigerem Verdichtungsverhältnis, da der Energieeintrag nicht durch Verdichtung, sondern durch gezielte, lokale Heizung stattfindet. Die infolge der geringeren Verdichtung niedrigeren Verbrennungstemperaturen im Brennraum tragen dazu bei, die Stickoxidbildung zu verringern, insbesondere bei Verwendung stickstoffhaltiger Kraftstoffe, wie zum Beispiel Ammoniak.
  • Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen selbstzündenden Verbrennungsmotors ist die mit diesem ermöglichte schlagartige, nahezu vollständige Zündung und Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs und die daraus resultierende Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades. Zudem intensiviert die in den Brennraum einschießende Flammfront des brennenden Gemischs durch die Verwirbelung des Kraftstoff-Luft-Gemischs auch die Vollständigkeit der Kraftstoffverbrennung. Es verlassen weniger unverbrannte Abgase den Verbrennungsmotor, was wiederum ebenfalls zur Wirkungsgradverbesserung beiträgt.
  • Die Querschnittsfläche des jeweiligen Zündkanals liegt vorzugsweise im Bereich von 1 mm2 bis 10 mm2. Bei konstruktiver Ausführung mit mehreren Zündkanälen beträgt deren Anzahl bevorzugt zwei bis acht. Sofern das Zündaggregat mehrere der Zündkanäle aufweist, sind diese vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Als geeignet hat sich eine Zündkanallänge im Bereich von 20 mm bis 30 mm erwiesen.
  • Als Heizeinheit kann eine steuerbare elektrische Heizung vorgesehen sein. Eine solche, als steuerbare elektrische Heizung ausgebildete Heizeinheit kann zum Beispiel eine oder mehrere Heizspulen umfassen. Hierbei umschließt jeweils eine der Heizspulen einen der Zündkanäle. Ferner kann die Heizeinheit so ausgebildet sein, dass die Abgaswärme bzw. die gespeicherte Verbrennungsabwärme aus dem Arbeitstakt genutzt wird, zum Beispiel durch in der Umgebung der Zündkanäle angeordnete Fluidkanäle, in die während der Heizphase erhitzte Flüssigkeiten oder Gase eingeleitet werden. Zudem kann die Heizeinheit eine Wärmespeichereinheit umfassen.
  • Gemäß einer Ausgestaltung des Verbrennungsmotors weist dieser eine Kanalverstelleinheit zur variablen Einstellung des Zündkanalquerschnitts auf. Zum Beispiel können hierzu Schieber zur Verringerung des Zündkanalquerschnitts oder zur Abdeckung eines Teils der Zündkanäle im Zündaggregat installiert sein; ebenso können längsverschiebliche, konische Dorne zur variablen Einstellung des Zündkanalquerschnitts dienen.
  • Erfindungsgemäß besitzt dieser eine Zündkammerverstelleinheit zur variablen Einstellung des Zündkammervolumens. Die Zündkammerverstelleinheit kann zum Beispiel ein in der Zündkammer geführter, arretierbarer Steuerkolben sein. Die Zündkammerverstelleinheit kann zur Justage der Zündung genutzt werden. Ferner ist es möglich, das Volumen der Zündkammer zwischen zwei Arbeitsspielen zu verstellen.
  • Die Zündkammer besitzt vorzugsweise eine Kammerwandung aus wärmeisolierendem Material, zum Beispiel aus keramischem Material, insbesondere aus keramischem Material auf Zirkonoxidbasis. Das wärmeisolierende Material kann auch in Form einer innenwandseitigen Beschichtung aufgetragen sein. Durch die Wärmeisolation der Zündkammer werden Wärmeverluste verringert und mithin der Zündzeitpunkt früher erreicht.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, dass an die Zündkammer des Zündaggregats ein Zündkraftstoffinjektor zur zusätzlichen Zuführung eines Zündkraftstoffes in die Zündkammer angeschlossen ist. Mit dem zusätzlichen Zündkraftstoffinjektor wird der Zündkraftstoff vergleichsweise frühzeitig zugegeben, zum Beispiel um in der Zündkammer ein zündfähigeres Zündkraftstoff-Luft-Gemisch bereitzustellen. Hierzu können - bei stofflicher Identität des Zündkraftstoffs und des Kraftstoffs - das Gemischverhältnis verändert sein, oder, ein besser zündfähiger Stoff beigegeben werden, zum Beispiel Wasserstoff bei Verwendung von Ammoniak als Kraftstoff. Die Einspritzung des Zündkraftstoffs soll hierbei nicht, wie im Dieselverfahren erst kurz vor Erreichen der Zündverhältnisse eingespritzt werden, sondern kann bereits zu einem deutlich früheren Zeitpunkt erfolgen.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Zündkammer - neben dem Zündkanal - weitere, zum Beispiel mit Ventilen verschließbare Durchlässe aufweist, die zur Entgasung oder Durchlüftung der Zündkammer dienen. Der jeweilige Durchlass kann zu diesen Zwecken wiederum mit dem Abgaskanal oder mit dem Einlasskanal verbunden sein.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Schnittdarstellungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen alle Figuren einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit dem Zündaggregat in Längsschnittdarstellung, im Einzelnen:
    • 1: den Verbrennungsmotor mit Zündaggregat gemäß einer ersten Ausführung,
    • 2: den Verbrennungsmotor nach 1 im Ausgangszustand,
    • 3: den Verbrennungsmotor nach 1 bei Öffnung des Einlassventils,
    • 4: den Verbrennungsmotor nach 1 bei Öffnung des Kraftstoffinjektorventils,
    • 5: den Verbrennungsmotor nach 1 während des Verdichtungstakts,
    • 6: den Verbrennungsmotor nach 1 am Ende des Verdichtungstakts,
    • 7: den Verbrennungsmotor nach 1 zum Zündzeitpunkt,
    • 8: den Verbrennungsmotor nach 1 im Arbeitstakt, und
    • 9: den Verbrennungsmotor mit Zündaggregat gemäß einer zweiten Ausführung.
  • Die Ausschnittsdarstellungen des als Hubkolbenmotor ausgebildeten Verbrennungsmotors gemäß der 1 bis 9 zeigen den im Zylinder 2 beweglich geführten Kolben 3, der drei nicht bezeichnete Kolbenringe aufweist. An den Brennraum 10 im oberen Teilbereich des Zylinders 2 sind der durch das Einlassventil 11 wahlweise verschließ- oder freigebbare Einlasskanal 4 und ein durch ein Auslassventil 12 wahlweise verschließ- oder freigebbarer Auslasskanal 5 angeschlossen.
  • Der in den 1 bis 9 dargestellte Verbrennungsmotor ist als Direkteinspritzer ausgeführt. D. h., der Einlasskanal 4 führt ausschließlich Frischluft 13; der Kraftstoff 14 wird direkt mittels des Kraftstoffinjektors 6 in den Brennraum 10 eingeleitet, wobei die Zufuhr des Kraftstoffs 14 aus dem Kraftstoffinjektors 6 mittels des Kraftstoffinjektorventils 7 gesteuert wird.
  • Koaxial zum Kolben 3 ist an den Brennraum 10 das Zündaggregat 1 angeschlossen; der einzige Zündkanal 1.2, der einen kreisförmigen inneren Querschnitt von 2 mm ± 0,5 mm aufweist, verbindet den Brennraum 10 mit der Zündkammer 1.1. Der Zündkanal 1.2 wird durch die elektrische steuerbare Heizeinheit 1.3 umschlossen.
  • Die Zündkammer 1.1 besitzt einen kreiszylinderförmigen Bereich, in dem der Steuerkolben 1.4 eingebracht ist und die Zündkammer 1.1 verschließt. Der Steuerkolben 1.4 bleibt während des Betriebs in einer vorgegebenen Position arretiert; mittels des Steuerkolbens 1.4 wird ein vorgegebenes Zündkammervolumen eingestellt.
  • Die verschiedenen Medien bzw. Fluide, d. h. die Frischluft 13, der Kraftstoff 14, das Kraftstoff-Luft-Gemisch 15 und das brennende Gemisch 16, sind in den 2 bis 8 entsprechend der Legende durch unterschiedliche Schraffuren dargestellt.
  • Die 1 zeigt den vorstehend beschriebenen Aufbau des Verbrennungsmotors mit dem Zündaggregat 1 bei Abwesenheit der Fluide. Die 2 bis 8 veranschaulichen prinzipartig einzelne Phasen während des Betriebs; die Bewegungsrichtung des Kolbens 3 wird durch die Pfeilrichtung verdeutlicht.
  • In der initialen Phase gemäß 2 befinden sich die Frischluft 13 im Einlasskanal 4 und der Kraftstoff 14 im Kraftstoffinjektor 6. Das Einlassventil 11, das Auslassventil 12 und das Kraftstoffinjektorventil 7 sind geschlossen.
  • In der nächsten Phase gemäß 3 wird das Einlassventil 11 geöffnet, wodurch die Frischluft 13 aus dem Einlasskanal 4 in den Brennraum 10 gelangt. Die Gase in der Zündkammer 1.1 werden absaugt; der Druck in der Zündkammer 1.1 gleicht sich dem Druck im Brennraum 10 an.
  • In der darauffolgenden, in 4 dargestellten Phase - während der Verdichtung - wird das Kraftstoffinjektorventil 7 geöffnet, wodurch der Kraftstoff 14 aus dem Kraftstoffinjektor 6 in den Brennraum 10 einströmt und sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch 15 ausbildet. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch 15 beginnt zudem in die gegenüber dem Brennraum 10 unter Unterdruck stehende Zündkammer 1.1 einzuströmen.
  • Während der Weiterbewegung des Kolbens 3 in Richtung des Zylinderkopfs - siehe 5 - wird das sich verdichtende Kraftstoff-Luft-Gemisch 15 durch den engen Zündkanal 1.2 in die Zündkammer 1.1 gedrückt. Bei Durchgang durch den Zündkanal 1.2 sinkt die Temperatur des Kraftstoff-Luft-Gemischs 15 bei Eintritt in die Zündkammer 1.1 infolge des Joule-Thomson-Effekts ab. Dieser Temperaturabfall wird durch das Aufheizen des Kraftstoff-Luft-Gemischs 15 mittels der Heizeinheit 1.3 während des Durchströmens des Zündkanals 1.2 kompensiert.
  • Am Ende des Verdichtungstaktes - siehe 6 - gleicht sich der Druck von Brennraum 10 und Zündkammer 1.1 wieder an, wobei die Temperatur des Kraftstoff-Luft-Gemischs 15 infolge der Energiezufuhr durch die Heizeinheit 1.3 in der Zündkammer 1.1 höher liegt als im Brennraum 10.
  • Hierdurch wird - siehe 7 - die Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs 15 in der Zündkammer 1.1 ausgelöst. Das sich in der Zündkammer 1.1 ausbreitende brennende Gemisch 16 gelangt durch den Zündkanal 1.2 in den Brennraum 10 und zündet das im Brennraum 10 befindliche Kraftstoff-Luft-Gemischs 15.
  • Die Gasexpansion des brennenden Gemischs 16 erzeugt den Arbeitsdruck auf den Kolben 3 und bewirkt die in 8 gezeigte Bewegung des Kolbens 3 weg vom Zylinderkopf.
  • Die Ausführung des Verbrennungsmotors gemäß 9 entspricht weitestgehend der nach den 1 bis 8. Zusätzlich ist der Zündkraftstoffinjektor 8 an die Zündkammer 1.1 angeschlossen, um zusätzlich einen Zündkraftstoff in die Zündkammer 1.1 zuzuführen. Die Steuerung der Zündkraftstoffzuführung erfolgt über das Zündkraftstoffinjektorventil 9. Die zusätzliche Zuführung von Zündkraftstoff wird vorgenommen, um die Zündfähigkeit des Kraftstoff-Luft-Gemischs 15 zu erhöhen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zündaggregat
    1.1
    Zündkammer
    1.2
    Zündkanal
    1.3
    Heizeinheit
    1.4
    Steuerkolben
    2
    Zylinder
    3
    Kolben
    4
    Einlasskanal
    5
    Auslasskanal
    6
    Kraftstoffinjektor
    7
    Kraftstoffinjektorventil
    8
    Zündkraftstoffinjektor
    9
    Zündkraftstoffinjektorventil
    10
    Brennraum
    11
    Einlassventil
    12
    Auslassventil
    13
    Frischluft
    14
    Kraftstoff
    15
    Kraftstoff-Luft-Gemisch
    16
    brennendes Gemisch

Claims (9)

  1. Selbstzündender Verbrennungsmotor, wobei der Verbrennungsmotor als Hubkolbenmotor mit einem Zylinder (2) und einem im Zylinder (2) axial beweglich geführten Kolben (3) ausgebildet ist, und ein durch den Kolben (3) abgeschlossener Innenbereich des Zylinders (2) einen Brennraum (10) zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs (15) bildet, wobei der im Zylinder (2) ausgebildete Brennraum (10) mit einem verschließbaren Einlasskanal (4) des Verbrennungsmotors verbunden ist, und wobei ein Zündaggregat (1) an den Brennraum (10) des Verbrennungsmotors zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs (15) angeschlossen ist, wobei das Zündaggregat (1) eine Zündkammer (1.1), einen oder mehrere gerade verlaufende, beheizbare Zündkanäle (1.2) und mindestens eine an dem oder an den Zündkanälen (1.2) anliegende Heizeinheit (1.3) aufweist, wobei die Zündkanäle (1.2) den Brennraum (10) mit der Zündkammer (1.1) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass, das Zündaggregat (1) eine Zündkammerverstelleinheit zur variablen Einstellung des Zündkammervolumens aufweist.
  2. Selbstzündender Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkammer (1.1) ein Volumen im Bereich von 5 % bis 10 % des Brennraumvolumens am oberen Totpunkt des Kolbens (3) aufweist.
  3. Selbstzündender Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Querschnittsfläche aller Zündkanäle (1.2) im Bereich von bis zu 5 % der Querschnittsfläche des Kolbens (3) liegt.
  4. Selbstzündender Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Kanalverstelleinheit zur variablen Einstellung des Zündkanalquerschnitts aufweist.
  5. Selbstzündender Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinheit (1.3) als steuerbare elektrische Heizung ausgebildet ist, wobei die als steuerbare elektrische Heizung ausgebildete Heizeinheit (1.3) eine oder mehrere Heizspulen umfasst, und wobei jeder der Zündkanäle (1.2) von einer der Heizspulen umschlossen ist.
  6. Selbstzündender Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkammer (1.1) eine Kammerwandung aus wärmeisolierendem keramischen Material aufweist.
  7. Selbstzündender Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkammerverstelleinheit ein in der Zündkammer (1.1) geführter, arretierbarer Steuerkolben (1.4) ist.
  8. Selbstzündender Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die Zündkammer (1.1) des Zündaggregats (1) ein Zündkraftstoffinjektor (8) zur zusätzlichen Zuführung eines Zündkraftstoffes in die Zündkammer (1.1) angeschlossen ist.
  9. Verfahren zum Betrieb eines selbstzündenden Verbrennungsmotors im Taktbetrieb, wobei der Verbrennungsmotor als Hubkolbenmotor mit einem Zylinder (2) und einem im Zylinder (2) axial beweglich geführten Kolben (3) ausgebildet ist, und ein durch den Kolben (3) abgeschlossener Innenbereich des Zylinders (2) einen Brennraum (10) zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs (15) bildet, wobei der im Zylinder (2) ausgebildete Brennraum (10) mit einem verschließbaren Einlasskanal (4) des Verbrennungsmotors verbunden ist, und wobei ein Zündaggregat (1) an den Brennraum (10) des Verbrennungsmotors zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs (15) angeschlossen ist, wobei das Zündaggregat (1) eine Zündkammer (1.1), einen oder mehrere gerade verlaufende, beheizbare Zündkanäle (1.2) und mindestens eine an dem oder an den Zündkanälen (1.2) anliegende Heizeinheit (1.3) aufweist, wobei die Zündkanäle (1.2) den Brennraum (10) mit der Zündkammer (1.1) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Zündkanäle (1.2) während des Verdichtungstaktes zum Aufheizen des durch die Zündkanäle (1.2) in die Zündkammer (1.1) strömenden Kraftstoff-Luft-Gemisch (15) mittels der Heizeinheit (1.3) aufgeheizt wird.
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