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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung, die über eine Abgas erzeugende Brennkraftmaschine und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Nachbehandlung des Abgases verfügt, wobei die Brennkraftmaschine einen Brennraum sowie eine Zündkerze zum Zünden eines in dem Brennraum befindlichen Kraftstoff-Frischgas-Gemischs aufweist und eine Zündelektrode der Zündkerze in einer strömungstechnisch an den Brennraum angeschlossenen Vorkammer angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
US 2021 / 0 262 408 A1 bekannt. Diese beschreibt ein Verfahren und ein System zum Betreiben eines Zylinders eines Motors mit einem Vorkammer-Zündsystem während einer Kaltstartbedingung. Beispielsweise ist es vorgesehen, eine Nacheinspritzung in den Zylinder durchzuführen und anschließend eine Vorkammerverbrennung während eines Auslasshubs des Zylinders vorzunehmen. So kann eine Temperatur eines Katalysators des Motors erhöht werden, was die Fahrzeugemissionen während der Kaltstartbedingung verringern kann.
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Die Druckschrift
DE 10 2021 108 298 A1 beschreibt Verfahren und Systeme für einen Motor, der ein Vorkammerzündsystem aufweist. In einem Beispiel kann ein Verfahren Einstellen eines Ventils, das zwischen eine Vorkammer eines Motorzylinders und eine Hauptkammer des Motorzylinders gekoppelt ist, zwischen einer vollständig offenen Position und einer vollständig geschlossenen Position basierend darauf, ob eine Vorkammerzündung gewünscht ist, beinhalten. Auf diese Weise kann der Motor unter Bedingungen, bei denen die Vorkammerverbrennung eine verringerte Stabilität aufweist, ohne zusätzliche Zündkerzen und Lufteinspritzvorrichtungen mit direkter Fremdzündung betrieben werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung vorzuschlagen, welches gegenüber bekannten Verfahren Vorteile aufweist, insbesondere eine deutliche Reduktion der Schadstoffemissionen der Antriebseinrichtung durch eine besonders rasche Erhöhung der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung in Richtung ihre Betriebstemperatur umsetzt.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass das in dem Brennraum gezündete Kraftstoff-Frischgas-Gemisch zumindest zeitweise auf eine unterstöchiometrische Zusammensetzung eingestellt wird und nach dem Zünden des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs zumindest zeitweise ein Sauerstoff enthaltendes Spülgas über die Vorkammer in den Brennraum eingebracht wird, sodass in dem Abgas enthaltener Kraftstoff stromabwärts der Brennkraftmaschine oxidiert wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in der Beschreibung erläuterten Ausführungsbeispiele nicht beschränkend sind; vielmehr sind beliebige Variationen der in der Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Figuren offenbarten Merkmale realisierbar.
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Die Antriebseinrichtung dient beispielsweise zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs und insoweit zum Bereitstellen eines auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichteten Antriebsdrehmoments. Die Antriebseinrichtung kann hierbei Bestandteil des Kraftfahrzeugs sein, jedoch selbstverständlich auch separat von diesem vorliegen. Zum Bereitstellen des Antriebsdrehmoments verfügt die Antriebseinrichtung über die Brennkraftmaschine, welche wiederum wenigstens einen Zylinder, bevorzugt mehrere Zylinder, aufweist. Soweit im Rahmen dieser Beschreibung von dem Zylinder beziehungsweise den Zylindern die Rede ist, so sind die Ausführungen stets auf jeden der mehreren Zylinder beziehungsweise den Zylinder der Brennkraftmaschine übertragbar.
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Der Zylinder ist vorzugsweise in einem Zylinderkurbelgehäuse der Brennkraftmaschine ausgestaltet. In dem Zylinder ist ein Kolben angeordnet, welcher antriebstechnisch mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, insbesondere über wenigstens eine Pleuelstange. Der Kolben begrenzt zusammen mit einer Zylinderwand des Zylinders und einem Zylinderdach des Zylinders den Brennraum. Die Zylinderwand ist insbesondere von dem Zylinderkurbelgehäuse gebildet. Das Zylinderdach liegt bevorzugt an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine vor, welcher an dem Zylinderkurbelgehäuse befestigt ist. Der Zylinderkopf schließt insoweit den Zylinder auf der dem Kolben gegenüberliegenden Seite ab. Liegen mehrere Zylinder vor, so verfügt jeder dieser Zylinder über einen separaten Brennraum.
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In den Brennraum beziehungsweise in jeden Brennraum mündet wenigstens ein Einlasskanal ein. Zudem geht von dem Brennraum beziehungsweise jedem Brennraum wenigstens ein Auslasskanal aus. Über den wenigstens einen Einlasskanal wird dem Brennraum während eines Betriebs der Brennkraftmaschine Frischgas oder das Kraftstoff-Frischgas-Gemisch zugeführt. Unter dem Frischgas ist insbesondere Frischluft, bevorzugt aus einer Au-ßenumgebung der Brennkraftmaschine, zu verstehen. Das Frischgas kann zusätzlich zu der Frischluft jedoch Abgas mit einem beliebigen Anteil enthalten, sofern die Brennkraftmaschine zur Abgasrückführung ausgestaltet ist. Ist dies der Fall, so wird zumindest zeitweise aus dem Brennraum abgeführtes Abgas dem Brennraum erneut zugeführt, nämlich über den wenigstens einen Einlasskanal.
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Während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird bevorzugt mittels eines Kraftstoffinjektors Kraftstoff in den Brennraum eingebracht. Hierzu mündet der Kraftstoffinjektor beispielsweise in den Brennraum ein oder grenzt zumindest an ihn an, nämlich derart, dass eine Einspritzdüse des Kraftstoffinjektors strömungstechnisch an den Brennraum angeschlossen ist beziehungsweise an ihn angrenzt. Durch das Einbringen des Kraftstoffs in den Brennraum bildet sich in dem Brennraum das Kraftstoff-Frischgas-Gemisch aus. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Kraftstoffinjektor derart ausgestaltet ist, dass er den Kraftstoff abseits des Brennraums zum Erzeugen des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs in das Frischgas einbringt und erst nachfolgend der Kraftstoff als Bestandteil des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs dem Brennraum zugeführt wird, insbesondere über den Einlasskanal.
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Das Kraftstoff-Frischgas-Gemisch wird mithilfe der Zündkerze gezündet und verbrennt nachfolgend. Hierbei entsteht das Abgas, welches aus dem Brennraum abgeführt wird, nämlich durch den wenigstens einen Auslasskanal. Der höchstens eine Auslasskanal geht hierzu von dem Brennraum aus. Zum Zünden des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs verfügt die Zündkerze über die Zündelektrode, mittels welcher ein Zündfunken an einer Zündstelle der Zündkerze erzeugbar ist. Insbesondere wirkt die Zündelektrode hierzu mit mindestens einer weiteren Zündelektrode zusammen. Die Zündelektrode ist insbesondere eine Mittelelektrode, durch welche eine Längsmittelachse der Zündkerze verläuft. Die wenigstens eine weitere Zündelektrode ist vorzugsweise abseits der Längsmittelachse angeordnet, beispielsweise also in radialer Richtung bezüglich der Zündelektrode versetzt.
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Die Zündelektrode und insbesondere die Zündstelle sind in der Vorkammer angeordnet, die strömungstechnisch an den Brennraum angeschlossen ist. Die Zündelektrode beziehungsweise die Zündstelle liegt insoweit außerhalb des Brennraums vor. Unter der Vorkammer ist eine Kammer zu verstehen, welche durch eine Vorkammerwand von dem Brennraum abgetrennt ist, strömungstechnisch jedoch mit ihm in Verbindung steht. Beispielsweise ist hierzu in der Vorkammerwand wenigstens eine Überströmöffnung ausgestaltet. Besonders bevorzugt liegen mehrere derartiger Überströmöffnungen vor, die voneinander beabstandet in der Vorkammerwand ausgebildet sind.
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Die Vorkammer ist beispielsweise ebenso wie der Brennraum in dem Zylinder angeordnet, insbesondere also auf der dem Brennraum zugewandten Seite des Zylinderdachs, bevorzugt nur teilweise oder vollständig. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Vorkammer zumindest teilweise oder vollständig auf der dem Zylinder abgewandten Seite des Zylinders angeordnet ist und insoweit außerhalb des Zylinders. Hierzu ist die Vorkammer beispielsweise in dem Zylinderkopf angeordnet. Vorzugsweise sind die Zündkerze und die Vorkammer in einem Zündkerzenschacht angeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass sie vollständig in diesem vorliegen, oder dass zumindest die Vorkammer beziehungsweise die sie begrenzende Vorkammerwand teilweise aus dem Zündkerzenschacht herausragt, also in Richtung des Zylinders über diesen überstehen.
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Über die Überströmöffnung beziehungsweise die Überströmöffnungen wird zumindest zeitweise Fluid zwischen dem Brennraum und der Vorkammer ausgetauscht. Das Fluid strömt also entweder aus dem Brennraum in die Vorkammer oder umgekehrt aus der Vorkammer in den Brennraum. Beispielsweise ist es vorgesehen, dass zunächst das in dem Brennraum vorliegende, unverbrannte Kraftstoff-Frischgas-Gemisch aus dem Brennraum in die Vorkammer strömt, insbesondere aufgrund einer Ladungsbewegung. Nachfolgend wird das Kraftstoff-Frischgas-Gemisch mittels der Zündkerze in der Vorkammer gezündet, worauf das gezündete Gemisch aus der Vorkammer in den Brennraum eintritt und das dort vorliegende Gemisch ebenfalls zündet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, in die Vorkammer unmittelbar ein brennbares Gemisch einzubringen, welches Kraftstoff enthält.
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Die Vorkammer kann grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Vorkammer Bestandteil der Zündkerze sein und diese entsprechend als Vorkammerzündkerze vorliegen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Vorkammer an beziehungsweise in dem Zylinderdach ausgestaltet ist, vorzugsweise von dem Zylinderkopf, oder dass sie von einem separaten Bauteil gebildet ist. In diesen Fällen ragt die Zündkerze in die Vorkammer hinein, sodass ihre Zündelektrode beziehungsweise die Zündstelle in der Vorkammer vorliegt. Die Verwendung der Vorkammer hat vor allem bei hoher Last der Brennkraftmaschine Vorteile, insbesondere wird dort eine besonders hohe Effizienz erzielt.
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Während der auf das Zünden des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs ablaufenden chemischen Reaktion beziehungsweise Verbrennung von Kraftstoff und Frischgas miteinander fällt das Abgas an, welches in Richtung einer Au-ßenumgebung der Antriebseinrichtung abgeführt wird. Da in dem von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgas Schadstoffe enthalten sind, wird das Abgas vor dem Entlassen in die Außenumgebung zunächst der Abgasnachbehandlungseinrichtung zugeführt. In der Abgasnachbehandlungseinrichtung werden die Schadstoffe zumindest teilweise in ungefährlichere Produkte umgesetzt. Erst nach dem Durchlaufen der Abgasnachbehandlungseinrichtung wird das Abgas in die Außenumgebung abgeführt, beispielsweise über ein Endrohr.
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Die Abgasnachbehandlungseinrichtung liegt beispielsweise als Fahrzeugkatalysator vor, insbesondere als Drei-Wege-Katalysator, Oxidationskatalysator, NOx-Speicherkatalysator oder als SCR-Katalysator. Sie kann jedoch auch als Partikelfilter, insbesondere als Otto-Partikelfilter oder als Diesel-Partikelfilter ausgestaltet sein, bevorzugt mit integriertem Fahrzeugkatalysator, beispielsweise mit einer katalytischen Beschichtung. Eine Umwandlungsrate und damit die Konvertierungsleistung der Abgasnachbehandlungseinrichtung, mit welcher die Schadstoffe in die ungefährlicheren Produkte umgesetzt werden, hängen insbesondere von einer Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung ab.
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Üblicherweise weist die Umwandlungsrate beziehungsweise Konvertierungsleistung bei einer bestimmten Temperatur, auch als Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung bezeichnet, ein Optimum auf. Diese Konvertierungsleistung kann auch als Sollkonvertierungsleistung bezeichnet werden. Bei einer Temperatur, welche kleiner ist als die Betriebstemperatur, liegt eine geringere Umwandlungsrate vor, welche mit in Richtung der Betriebstemperatur steigender Temperatur ansteigt. Ist die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung kleiner als ihre Betriebstemperatur, so wird ein Warmlaufbetrieb vorgenommen, vorzugsweise durchgehend. Insbesondere erfolgt der Warmlaufbetrieb, bis die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung die Betriebstemperatur erreicht oder sogar überschritten hat.
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Im Rahmen des Warmluftbetriebs wird die Brennkraftmaschine derart betrieben, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung möglichst rasch erwärmt wird. Dies erfolgt derart, dass das Kraftstoff-Frischgas-Gemisch zumindest zeitweise, vorzugsweise durchgehend, unterstöchiometrisch ist, sodass entsprechend in dem Brennraum ein Kraftstoffüberschuss vorliegt. Während der Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs verbrennt also aufgrund des Luftmangels lediglich ein Teil des Kraftstoffs, sodass unverbrannter Kraftstoff aus der Brennkraftmaschine in Richtung der Abgasnachbehandlungseinrichtung austritt.
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Es kann nun vorgesehen sein, stromabwärts der Brennkraftmaschine, also strömungstechnisch zwischen der Brennkraftmaschine und der Abgasnachbehandlungseinrichtung, Sekundärluft in das Abgas einzubringen, sodass der in dem Abgas enthaltene unverbrannte Kraftstoff mit der Sekundärluft reagiert und so Wärme anfällt, die die Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung erhöht. Ist jedoch die Abgasnachbehandlungseinrichtung motornah angeordnet, also eine Strömungsverbindung zwischen der Brennkraftmaschine und der Abgasnachbehandlungseinrichtung vergleichsweise kurz, so reicht die Zeit, welche das Abgas für das Strömen von der Brennkraftmaschine hin zu der Abgasnachbehandlungseinrichtung benötigt, nicht für eine vollständige Reaktion des unverbrannten Kraftstoffs in dem Abgas mit der Sekundärluft aus. Folglich ist der Temperaturanstieg des Abgases und mithin der Abgasnachbehandlungseinrichtung geringer als eigentlich möglich.
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Aus diesem Grund ist es vorgesehen, die Sekundärluft nicht erst stromabwärts der Brennkraftmaschine in das Abgas einzubringen, sondern in Form des Spülgases über die Vorkammer in den Brennraum einzuleiten. Dies erfolgt nach dem Zünden des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs und - vorzugsweise - vor dem auf das Zünden folgenden vollständigen Schließen eines Auslassventils. Das Spülgas enthält Sauerstoff und wird derart in die Vorkammer eingeleitet, dass es in den Brennraum übertritt. Das Spülgas dient folglich zum einen einem Spülen der Vorkammer und zum anderen dem Einbringen des Sauerstoffs in den Brennraum.
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Das Einbringen des Spülgases in den Brennraum erfolgt derart, dass der in dem Abgas enthaltene unverbrannte Kraftstoff stromabwärts der Brennkraftmaschine oxidiert wird. Das bedeutet, dass das Spülgas derart in den Brennraum eingebracht wird, dass es zumindest teilweise oder sogar vollständig zusammen mit dem Abgas beziehungsweise als Bestandteil des Abgases aus der Brennkraftmaschine austritt und in Richtung der Abgasnachbehandlungseinrichtung strömt. Das Austreten des Spülgases aus der Brennkraftmaschine erfolgt vorzugsweise in zumindest teilweise chemisch unveränderter Form, sodass stromabwärts der Brennkraftmaschine, insbesondere strömungstechnisch zwischen der Brennkraftmaschine und der Abgasnachbehandlungseinrichtung, zumindest ein Teil des in dem Abgas enthaltenen Kraftstoffs von dem Spülgas oxidiert wird.
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Die beschriebene Vorgehensweise hat den Vorteil, dass das Spülgas in dem Brennraum bereits vorgewärmt wird und in vorgewärmtem Zustand aus der Brennkraftmaschine austritt. Zudem wird es bereits in dem Brennraum mit dem Abgas vermengt, sodass die Reaktion des in dem Abgas enthaltenen Kraftstoffs mit dem Sauerstoff des Spülgases stromabwärts der Brennkraftmaschine sehr rasch abläuft. Vorzugsweise wird der gesamte in dem Abgas enthaltene Kraftstoff mithilfe des Spülgases oxidiert, bevor er die Abgasnachbehandlungseinrichtung erfolgt. Besonders bevorzugt wird die Menge des Spülgases hierzu entsprechend bemessen, insbesondere derart, dass der in dem Spülgas enthaltene Sauerstoff gerade zum Oxidieren des in dem Abgas enthaltenen Kraftstoffs ausreicht. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine besonders rasche Erhöhung der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung in Richtung ihrer Betriebstemperatur beziehungsweise bis auf ihre Betriebstemperatur.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Spülgas mittels einer Zuführeinrichtung der Vorkammer zugeführt und ausschließlich das Spülgas über die Vorkammer in den Brennraum eingebracht wird. Die Zuführeinrichtung ist strömungstechnisch an die Vorkammer angeschlossen, vorzugsweise über eine Spülgasleitung. Bevorzugt mündet lediglich die Spülgasleitung in die Vorkammer ein, sodass die Vorkammer strömungstechnisch ausschließlich mit der Zuführeinrichtung und dem Brennraum in Verbindung steht. Es ist vorgesehen, dass das über die Vorkammer ausschließlich das Spülgas in den Brennraum eingebracht wird, während des Einbringens des Spülgases in die Vorkammer wird also insbesondere kein von dem Spülgas separater Kraftstoff durch die Vorkammer in den Brennraum eingebracht. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass das Spülgas Kraftstoff beinhaltet und/oder dass Kraftstoff unter Umgehung der Vorkammer in den Brennraum eingeleitet wird.
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Die beschriebene Vorgehensweise ermöglicht eine besonders kompakte Ausgestaltung der Vorkammer, da diese strömungstechnisch ausschließlich an die Zuführeinrichtung und den Brennraum angeschlossen ist. Insbesondere mündet kein Kraftstoffinjektor in die Vorkammer ein. Dies erlaubt ein rasches und effizientes Einbringen des Spülgases in den Brennraum über die Vorkammer, da nicht erst ein großes Vorkammervolumen mit dem Spülgas gefüllt werden muss, bevor es aus der Vorkammer in den Brennraum übertritt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Spülgas den Sauerstoff enthaltendes Frischgas oder ein den Sauerstoff und zusätzlich Kraftstoff enthaltendes Spülgasgemisch verwendet wird. Das Spülgas kann also entweder das Frischgas sein, welches insbesondere als Frischluft vorliegt. Auf die bereits erfolgte Definition des Frischgases wird hingewiesen. Vorzugsweise besteht das Spülgas vollständig aus Frischgas, insbesondere Frischluft.
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Alternativ kann das Spülgas in Form des Spülgasgemisches vorliegen, welches Sauerstoff und Kraftstoff enthält. Beispielsweise liegt das Spülgasgemisch als Gemisch aus Kraftstoff und Frischgas vor. Insbesondere folgt aus dem Vorgenannten, dass der Kraftstoff gemeinsam mit dem Sauerstoff als Bestandteil des Spülgases beziehungsweise Spülgasgemisches der Vorkammer zugeführt wird und über diese in den Brennraum gelangt. Es ist also bevorzugt nicht vorgesehen, den Sauerstoff und den Kraftstoff separat voneinander der Vorkammer zuzuführen, vielmehr erfolgt dies stets gemeinsam. In diesem Fall werden die bereits genannten Vorteile erzielt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Spülgasgemisch außerhalb der Vorkammer erzeugt und über eine Spülgasleitung der Vorkammer zugeführt wird. Beispielsweise wird das Spülgasgemisch mithilfe der Zuführeinrichtung erzeugt, welche über die Spülgasleitung strömungstechnisch an die Vorkammer angeschlossen ist. Insbesondere verfügt die Zuführeinrichtung hierzu über eine Gemischbildungseinrichtung, beispielsweise ein Rail, welche abseits der Vorkammer vorliegt und welcher der Sauerstoff, insbesondere als Bestandteil des Frischgases beziehungsweise der Frischluft, und der Kraftstoff getrennt voneinander zugeführt werden.
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In der Gemischbildungseinrichtung vermengen sich der Kraftstoff und Sauerstoff zu dem Spülgasgemisch, welches anschließend über die Spülgasleitung in die Vorkammer eingebracht wird. Dies erfolgt derart, dass das Spülgasgemisch über die Vorkammer in den Brennraum eintritt. Eine solche Vorgehensweise ermöglicht eine präzise Einstellung des Verbrennungsluftverhältnisses in dem Brennraum. In jedem Fall erfolgt das Einbringen des Spülgases beziehungsweise des Spülgasgemisches über die Vorkammer in den Brennraum derart, dass der in dem Abgas enthaltene Kraftstoff zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, also zu mindestens 80 %, mindestens 90 % oder mindestens 95 %, erst stromabwärts der Brennkraftmaschine oxidiert wird. Hiermit werden die genannten Vorteile erzielt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Einbringen des Spülgases in den Brennraum derart erfolgt, dass das Spülgas zusammen mit dem Abgas unverbrannt aus der Brennkraftmaschine ausströmt, oder dass das Spülgasgemisch mittels der Zündelektrode gezündet wird. In einer ersten Variante soll also das Spülgas die Vorkammer chemisch unverändert durchlaufen und sich in dem Brennraum mit dem Abgas vermengen. Hierbei soll das Spülgas auch den Brennraum zumindest größtenteils chemisch unverändert durchlaufen, sodass es (wiederum größtenteils) unverbrannt aus der Brennkraftmaschine ausströmt und erst stromabwärts der Brennkraftmaschine zum Oxidieren des unverbrannten Kraftstoffs herangezogen wird. Hierunter ist bevorzugt zu verstehen, dass mindestens 80 %, mindestens 90 % oder mindestens 95 % des Spülgasgemischs chemisch unverändert die Vorkammer und den Brennraum durchläuft und aus der Brennkraftmaschine ausströmt, vorzugsweise bezogen auf die Masse des Spülgases.
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In einer zweiten Variante liegt das Spülgas in Form des Spülgasgemischs vor und enthält entsprechend sowohl Sauerstoff als auch Kraftstoff. In diesem Fall wird das Spülgasgemisch mithilfe der Zündelektrode in der Vorkammer gezündet. Die Zusammensetzungen des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs und des Spülgasgemisch sind derart gewählt, dass weiterhin zumindest ein Teil des in dem Abgas enthaltenen Kraftstoffs erst stromabwärts der Brennkraftmaschine oxidiert wird, bevorzugt mindestens 50 %, mindestens 60 % oder mindestens 70 %, insbesondere bezogen auf die Masse des Kraftstoffs. Das Zünden des Spülgasgemischs mittels der Zündelektrode ermöglicht eine besonders rasche Erhöhung der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mit dem Einbringen des Spülgases in den Brennraum vor einem Öffnen eines Auslassventils eines den Brennraum aufweisenden Zylinders begonnen wird. Der Brennraum ist auf die bereits beschriebene Art und Weise in dem Zylinder angeordnet beziehungsweise von dem Zylinder gebildet. Das Auslassventil ist - wie ebenfalls bereits erläutert - strömungstechnisch an den Brennraum angeschlossen. Es liegt strömungstechnisch zwischen dem Brennraum und der Abgasnachbehandlungseinrichtung vor. Das Einbringen des Spülgases soll nun bereits vor dem Öffnen des Auslassventils erfolgen. Liegen mehrere Auslassventile vor, so soll das Einbringen des Spülgases erfolgen oder zumindest mit dem Einbringen begonnen werden, bevor eines der Auslassventile geöffnet wird, also solange alle Auslassventile geschlossen sind. Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass das Einbringen des Spülgases vor dem Öffnen des Auslassventils beendet wird, sodass also das Einbringen des Spülgases bei durchgehend geschlossenem Auslassventil erfolgt. Durch die beschriebene Vorgehensweise erfolgt ein besonders effektives Vermengen des Spülgases mit dem Abgas, sodass das Oxidieren des Kraftstoffs nach dem Austreten des Abgases aus der Brennkraftmaschine besonders rasch erfolgt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Einbringen des Spülgases in den Brennraum nach dem Öffnen des Auslassventils beendet wird. Das Einbringen des Spülgases wird fortgeführt, bis das Auslassventil zumindest teilweise geöffnet ist. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das Einbringen des Spülgases vor dem Öffnen des Auslassventils, also bei geschlossenem Auslassventil, beginnt und erst nach dem teilweisen Öffnen des Auslassventils endet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, das Einbringen des Spülgases erst nach dem Öffnen des Auslassventils beginnen und auch erst nach dem Öffnen des Auslassventils zu beenden. In jedem Fall werden die genannten Vorteile erzielt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zusätzlich nach einem Öffnen und vor einem Schließen eines Einlassventils des Zylinders das Spülgas über die Vorkammer in den Brennraum eingebracht wird. Üblicherweise beruht ein Wechsel des Fluids in der Vorkammer allein auf passiven Effekten während des Einbringens des Frischgases in den Brennraum und/oder während des Ausbringens des Abgases aus dem Brennraum. Aus diesem Grund soll zur weiteren Steigerung der Effizienz der Brennkraftmaschine die Vorkammer aktiv mit dem Spülgas gespült werden. Das Spülen erfolgt bevorzugt nach dem Zünden des in der Vorkammer und/oder dem Brennraum vorliegenden Gemischs, insbesondere während oder nach dem Ausbringen des Abgases aus dem Brennraum, und vor dem nachfolgenden Bereitstellen des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs zur Zündung in der Vorkammer, insbesondere vor dem Einbringen des Kraftstoffs in den Brennraum. Als Spülgas wird in diesem Fall bevorzugt Frischgas, insbesondere Frischluft, verwendet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Spülgas das bereits beschriebene Spülgasgemisch ist, also wiederum ein Kraftstoff-Frischgas-Gemisch.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zum Einbringen des Spülgases in den Brennraum das Spülgas über eine Spülgaseinbringöffnung in die Vorkammer eingebracht wird, die in axialer Richtung bezüglich einer Längsmittelachse der Zündkerze auf dem Brennraum abgewandter Seite der Zündelektrode in die Vorkammer einmündet. Zum Einbringen des Spülgases in die Vorkammer liegt die Spülgaseinbringöffnung vor, die strömungstechnisch an die Spülgasleitung angeschlossen ist. Strömungstechnisch gesehen ist insoweit die Spülgasleitung über die Spülgaseinbringöffnung an die Vorkammer angeschlossen, sodass durch die Spülgasleitung zugeführtes Spülgas durch die Spülgaseinbringöffnung in die Vorkammer gelangt. Um ein besonders effektives Spülen der Vorkammer zu ermöglichen, insbesondere ein Spülen des Zündbereichs, mündet die Spülgaseinbringöffnung - in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse der Zündkerze gesehen - auf derjenigen Seite der Zündelektrode in die Vorkammer ein, welche dem Brennraum abgewandt ist.
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Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass - wiederum in axialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse gesehen - die Spülgaseinbringöffnung auf der der Überströmöffnung beziehungsweise den Überströmöffnungen abgewandten Seite der Zündelektrode in die Vorkammer einmündet. Dies ermöglicht während des Spülens ein Vorbeiströmen des Spülgases an der Zündelektrode und insbesondere ein Durchströmen des Zündbereichs. Folglich liegt die Zündelektrode beziehungsweise der Zündbereich strömungstechnisch gesehen zwischen der Spülgaseinbringöffnung beziehungsweise ihrer Einmündungsstelle in die Vorkammer und der Überströmöffnung beziehungsweise den Überströmöffnungen. Durch das Spülen der Vorkammer wird eventuell noch in ihr vorliegendes Abgas aus ihr ausgetragen, sodass nachfolgend ein besonders gut zündfähiges Gemisch in ihr bereitgestellt wird. Hierdurch wird die Effizienz der Brennkraftmaschine verbessert.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung, wobei die Antriebseinrichtung über eine Abgas erzeugende Brennkraftmaschine und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Nachbehandlung des Abgases verfügt, wobei die Brennkraftmaschine einen Brennraum sowie eine Zündkerze zum Zünden eines in dem Brennraum befindlichen Kraftstoff-Frischgas-Gemischs aufweist und eine Zündelektrode der Zündkerze in einer strömungstechnisch an den Brennraum angeschlossenen Vorkammer angeordnet ist. Dabei ist die Antriebseinrichtung dazu vorgesehen und ausgestaltet, das in dem Brennraum gezündete Kraftstoff-Frischgas-Gemisch zumindest zeitweise auf eine unterstöchiometrische Zusammensetzung einzustellen und nach dem Zünden des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs zumindest zeitweise ein Sauerstoff enthaltendes Spülgas über die Vorkammer in den Brennraum einzubringen, sodass in dem Abgas enthaltener Kraftstoff stromabwärts der Brennkraftmaschine oxidiert wird.
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Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der Antriebsrichtung beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Sowohl die Antriebseinrichtung als auch das Verfahren zu ihrem Betreiben können gemäß den Ausführungen im Rahmen dieser Beschreibung weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Die in der Beschreibung beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, insbesondere die in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen, sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungsformen als von der Erfindung umfasst anzusehen, die in der Beschreibung und/oder den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch aus den erläuterten Ausführungsformen hervorgehen oder aus ihnen ableitbar sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Brennkraftmaschine einer Antriebseinrichtung, welche eine Zündkerze und eine eine Zündelektrode der Zündkerze aufnehmende Vorkammer aufweist, sowie
- 2 mehrere Diagramme, welche Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine über der Zeit darstellen.
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Die 1 zeigt eine äußerst schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 1, nämlich eine schematische Schnittdarstellung durch einen Zylinder 2 der Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine 1 ist Bestandteil einer Antriebseinrichtung, welche zusätzlich zu der Brennkraftmaschine 1 über eine nicht gezeigte Abgasnachbehandlungseinrichtung verfügt. In dem Zylinder 2 liegt ein Brennraum 3 vor, in welchen Gaswechselkanäle 4 und 5 über Gaswechselventile 6 und 7 einmünden beziehungsweise angeschlossen sind. Der Gaswechselkanal 4 liegt als Einlasskanal und der Gaswechselkanal 5 als Auslasskanal vor. Entsprechend kann das Gaswechselventil 6 auch als Einlassventil und das Gaswechselventil 7 auch als Auslassventil bezeichnet werden.
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Zur Zündung eines in dem Brennraum 3 vorliegenden Kraftstoff-Frischgas-Gemischs verfügt die Brennkraftmaschine 1 über eine Zündkerze 8, deren Zündelektrode in einer Vorkammer 10 angeordnet ist, die über wenigstens eine Überströmöffnung 11 an den Brennraum 3 angeschlossen ist. Die Zündelektrode 9 liegt als Mittelelektrode vor. Zusätzlich zu der Zündelektrode 9 weist die Zündkerze 8 zumindest eine weitere Zündelektrode 12 auf, welche in radialer Richtung und/oder in axialer Richtung bezüglich einer Längsmittelachse 13 der Zündkerze 8 von der Zündelektrode 9 beabstandet angeordnet ist. Zwischen der Zündelektrode 9 und der weiteren Zündelektrode 12 liegt eine Zündstelle der Zündkerze 8 vor, an welcher zumindest zeitweise ein Zündfunken zur Zündung des Kraftstoff-Frischgas-Gemischs erzeugt wird.
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Die Zündelektrode 9 liegt an einem Isolator 15 vor, der von einem Grundkörper 16 der Zündkerze 8 ausgeht. Der Isolator 15 erstreckt sich ausgehend von dem Grundkörper 16 in axialer Richtung in Richtung des Brennraums 3, durch die Vorkammer 10 hindurch. Es ist vorgesehen, dass die Vorkammer 10 zumindest zeitweise mit einem Spülgas gespült wird. Das Spülgas wird über eine Spülgasleitung 17 zugeführt, die über eine Spülgaseinbringöffnung 18 an die Vorkammer 10 strömungstechnisch angeschlossen ist. In der Spülgasleitung 17 ist bevorzugt ein Spülgasventil 19 angeordnet, mittels welchem ein Volumenstrom beziehungsweise Massenstrom des Spülgases durch die Spülgasleitung 17 einstellbar ist. Das Spülgasventil liegt beispielsweise als Rückschlagventil oder alternativ als Stellventil, beispielsweise als Magnetventil, vor.
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Die 2 zeigt schematische Darstellungen unterschiedliche Ausführungsformen der Zündkerze 8 und der Vorkammer 10. In einer oberen Reihe ist links eine erste Ausführungsform, mittig eine zweite Ausführungsform und rechts eine dritte Ausführungsform dargestellt. In einer unteren Reihe ist links eine vierte Ausführungsform, mittig eine fünfte Ausführungsform und rechts eine sechste Ausführungsform dargestellt, jeweils schematisch. In der ersten Ausführungsform ist die Zündkerze 8 als Vorkammerzündkerze ausgestaltet. Entsprechend ist eine die Vorkammer 10 in radialer Richtung nach außen und in axialer Richtung von der Zündkerze 8 abgewandte Richtung von einer Vorkammerwand 20 begrenzt, welche unmittelbar von dem Grundkörper 16 ausgeht.
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Die Vorkammerwand 20 ragt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel geringfügig in den Brennraum 3 hinein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Vorkammerwand 20 vollständig in einem Zündkerzenschacht 21 aufgenommen ist. Der Zündkerzenschacht 21 liegt als gestufte Ausnehmung vor, sodass eine Anlageschulter 22 gebildet ist, an welcher sich die Zündkerze 8 in axialer Richtung in Richtung des Brennraums 3 abstützt. Der Zündkerzenschacht 21 weist ein Innengewinde 23 auf, welches mit einem Außengewinde 24 der Vorkammerwand 20 zusammenwirkt, um die Zündkerze 8 in dem Zündkerzenschacht 21 zu halten.
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Zur strömungstechnischen Anbindung der Vorkammer 10 an die Spülgasleitung 17 liegt die Spülgaseinbringöffnung 18 in Überdeckung mit einer Spülgasleitungsmündungsöffnung 25 vor, welche das Innengewinde 23 durchgreift. Der hier nicht erkennbare Isolator 15 erstreckt sich in axialer Richtung ausgehend von dem Grundkörper 16 bis über die Spülgaseinbringöffnung 18 hinaus, sodass die Zündelektrode 9 in axialer Richtung gesehen auf der dem Grundkörper 16 abgewandten Seite der Spülgaseinbringöffnung 18 liegt. Hierdurch wird eine zuverlässige Durchströmung weiter Bereiche der Vorkammer 10 sichergestellt.
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Die zweite Ausführungsform ähnelt der ersten Ausführungsform, sodass auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen und nachfolgend lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Diese liegen darin, dass zusätzlich zu der Spülgaseinbringöffnung 18 eine weitere Spülgaseinbringöffnung 26 vorliegt. Diese dient einer flexiblen Anwendung der Zündkerze 8 beziehungsweise der Vorkammerwand 20, da kein genaues Einstellen einer Drehwinkelstellung notwendig ist, damit entweder die Spülgaseinbringöffnung 18 oder die weitere Spülgaseinbringöffnung 26 in Überdeckung mit der Spülgasleitung 17 vorliegt.
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Die dritte Ausführungsform entspricht der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass die Vorkammer 10 von einer Ringkammer 27 umgriffen ist, in welche die Spülgasleitung 17 einmündet. Über die Ringkammer 27 ist die Spülgasleitung 17 strömungstechnisch sowohl an die Spülgaseinbringöffnung 18 als auch an die weitere Spülgaseinbringöffnung 26 (falls vorhanden) angeschlossen. Entsprechend ist ein gleichmäßiges Einbringen des Spülgases in die Vorkammer 10 möglich.
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Auch für die vierte Ausführungsform wird grundsätzlich auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Der Unterschied, beispielsweise zu der ersten Ausführungsform, liegt in der Beabstandung der Vorkammerwand 20 von dem Grundkörper 16 der Zündkerze 8, sodass von der Zündkerze 8 lediglich der Isolator 15 und die Zündelektrode 9 in Überdeckung mit der Vorkammerwand 20 vorliegen beziehungsweise in die Vorkammer 10 eingreifen. Hierdurch ist zwischen dem Grundkörper 16 und der Vorkammerwand 20 ein Spalt 28 gebildet, der von dem Isolator 15 in axialer Richtung vollständig durchgriffen wird. Dieser Spalt 28 bildet die Spülgaseinbringöffnung 18. Er steht in Überdeckung mit der Spülgasleitungsmündungsöffnung 25, sodass durch ihn über die Spülgasleitung 17 zugeführtes Spülgas in die Vorkammer 10 einströmen kann.
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Die fünfte Ausführungsform entspricht wiederum der vierten Ausführungsform, mit dem Unterschied, dass analog zu der dritten Ausführungsform die Ringkammer 27 vorliegt.
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Die sechste Ausführungsform ähnelt der dritten Ausführungsform, sodass auf die entsprechenden Ausführungen hingewiesen und nachfolgend lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Diese liegen darin, dass die Spülgaseinbringöffnung 18 beziehungsweise weitere Spülgaseinbringöffnungen 26 in axialer Richtung von der Spülgasleitungsmündungsöffnung 25 und/oder der Ringkammer 27 beabstandet angeordnet sind. Um die Spülgaseinbringöffnung 18 und die wenigstens eine weitere Spülgaseinbringöffnung 26 strömungstechnisch an die Spülgasleitung 17 anzubinden, weist die Vorkammerwand 20 eine Ausnehmung 29, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Ausnehmungen 29, auf, welche sich in axialer Richtung erstrecken und den Abstand zwischen der Spülgasleitungsmündungsöffnung 25 beziehungsweise der Ringkammer 27 und der Spülgaseinbringöffnung 18 und der wenigstens einen weiteren Spülgaseinbringöffnung 26 überbrückt. Um gleichzeitig eine zuverlässige Befestigung der Zündkerze 8 in dem Zündkerzenschacht 21 zu gewährleisten, ist die Ausnehmung 29 in Umfangsrichtung unterbrochen, erstreckt sich also lediglich über einen Teil des Umfangs der Zündkerze 8 beziehungsweise der Vorkammerwand 20.
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Die beschriebene Ausgestaltung der Brennkraftmaschine 1 hat den Vorteil, dass ein weitgehendes Spülen der Vorkammer 10 durch die entsprechende Anordnung der Spülgaseinbringöffnung 18 erzielt wird. Gleichzeitig wird die Anordnung aus Zündkerze 8 und Vorkammer 10 durch das Einleiten des Spülgases über das Innengewinde 23 des Zündkerzenschachts 21 äußerst kompakt gehalten. Zudem kann eine herkömmliche Vorkammerzündkerze verwendet und nachträglich die Spülgaseinbringöffnung 18 in diese eingebracht werden, sodass Herstellungskosten gering gehalten werden.
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Die 3 zeigt drei Diagramme, in welchen Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine 1 über der Zeit beziehungsweise genauer gesagt einer Winkelstellung einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 aufgetragen sind. Die Drehwinkelstellung der Kurbelwelle kann auch als Kurbelwellenwinkel bezeichnet werden. In einem ersten der Diagramme zeigt ein Verlauf 30 ein Volumen des Brennraums 3. Es ist erkennbar, dass das Volumen in einem ersten Kurbelwellenwinkelbereich durchgehend abnimmt und in einem sich unmittelbar an den ersten Kurbelwellenwinkelbereich anschließenden zweiten Kurbelwellenwinkelbereich wieder zunimmt. In einem sich unmittelbar an den zweiten Kurbelwellenwinkelbereich anschließenden dritten Kurbelwellenwinkelbereich nimmt das Volumen wieder ab, um nachfolgend in einem sich unmittelbar an den dritten Kurbelwellenwinkelbereich anschließenden vierten Kurbelwellenwinkelbereich wieder zuzunehmen. Auf den vierten Kurbelwellenwinkelbereich erfolgt wiederum der erste Kurbelwellenwinkelbereich beziehungsweise ein weiterer erster Kurbelwellenwinkelbereich. Rein beispielhaft weisen die vier Kurbelwellenwinkelbereiche dieselbe Größe, nämlich 180°, auf.
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Der erste Kurbelwellenwinkelbereich umfasst einen Ansaugtakt, der zweite Kurbelwellenwinkelbereich einen Verdichtungstakt, der dritte Kurbelwellenwinkelbereich einen Expansionstakt und der vierte Kurbelwellenwinkelbereich einen Ausstoßtakt der Brennkraftmaschine 1. Entsprechend ist in dem ersten Kurbelwellenwinkelbereich das Gaswechselventil 6 und in dem vierten Kurbelwellenwinkelbereich das Gaswechselventil 7 jeweils zumindest teilweise geöffnet. Es kann vorgesehen sein, dass das Öffnen des Gaswechselventils 7 bereits in dem dritten Kurbelwellenwinkelbereich beginnt und/oder erst nach dem vierten Kurbelwellenwinkelbereich, also in dem ersten Kurbelwellenwinkelbereich, endet. Eine Stellung des Gaswechselventils 6 ist durch einen Verlauf 31 und eine Stellung des Gaswechselventils 7 durch einen Verlauf 32 angedeutet.
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Ein Verlauf 33 zeigt einen Massendurchsatz des Spülgases über die Vorkammer 10 in den Brennraum 3. Es ist erkennbar, dass das Einbringen des Spülgases in den Brennraum 3 während des dritten Kurbelwellenwinkelbereich und/oder des vierten Kurbelwellenwinkelbereich erfolgt. Entsprechend beginnt es bereits vor dem Öffnen des Gaswechselventils 7 und endet bei teilweise geöffnetem Gaswechselventil 7, insbesondere bevor das Gaswechselventil 7 vollständig geöffnet ist. Das Spülgas dient in diesem Fall als Sekundärluft, um in dem von der Brennkraftmaschine 1 erzeugten Abgas enthaltenen Kraftstoff stromabwärts der Brennkraftmaschine 1 zu oxidiert, also nach einem Ausströmen des Abgases und des Spülgases aus dem Brennraum 3 über das Gaswechselventil 7 in den Gaswechselkanal 5. Dies ermöglicht ein besonders effektives Aufheizen der Abgasnachbehandlungseinrichtung, also ein rasches Erhöhen der Temperatur der Abgasnachbehandlungseinrichtung in Richtung ihrer Betriebstemperatur.
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BEZUGSZEICHENLISTE:
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Zylinder
- 3
- Brennraum
- 4
- Gaswechselkanal
- 5
- Gaswechselkanal
- 6
- Gaswechselventil
- 7
- Gaswechselventil
- 8
- Zündkerze
- 9
- Zündelektrode
- 10
- Vorkammer
- 11
- Überströmöffnung
- 12
- weitere Zündelektrode
- 13
- Längsmittelachse
- 14
- Zündstelle
- 15
- Isolator
- 16
- Grundkörper
- 17
- Spülgasleitung
- 18
- Spülgaseinbringöffnung
- 19
- Spülgasventil
- 20
- Vorkammerwand
- 21
- Zündkerzenschacht
- 22
- Anlageschulter
- 23
- Innengewinde
- 24
- Außengewinde
- 25
- Spülgasleitungsmündungsöffnung
- 26
- weitere Spülgaseinbringöffnung
- 27
- Ringkammer
- 28
- Spalt
- 29
- Ausnehmung
- 30
- Verlauf
- 31
- Verlauf
- 32
- Verlauf
- 33
- Verlauf
