-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Steuerung einer Vorkammerzündkerze in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche. Vorkammerzündkerze zum Zünden einer Verbrennung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine sind bereits bekannt. Aus der
DE 10 2014 216 028 A1 ist bereits eine Vorrichtung zur Verlängerung eines Zündfunkens an einer herkömmlichen Zündkerze bekannt. Aus der
EP 1 299 630 B1 ist bereits eine Vorrichtung zum Auslösen mehrfache Zündfunken an einer herkömmlichen Zündkerze bekannt.
-
Vorteile der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass eine verbesserte Zündfähigkeit von Vorkammerzündkerze in kritischen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine sichergestellt wird. Es können so für alle Betriebsparameter einer Brennkraftmaschine eine zuverlässige Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum sichergestellt werden. Um gleichzeitig einen Verschleiß der Vorkammerzündkerze gering zu halten, werden die vorteilhaften Zündverfahren nur in Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine durchgeführten, die eine verbesserte Zündfähigkeit der Vorkammerzündkerze erfordern.
-
Weitere Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Maßnahmen der abhängigen Patentansprüche. Eine Möglichkeit der Verlängerung des Zündens besteht in der Auslösung einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Zündfunken. Um eine optimale Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches sicherzustellen, werden dabei die Anzahl, der zeitliche Abstand der Zündfunken und die Energie der einzelnen Zündfunken an die jeweiligen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine angepasst. Alternativ können Zündfunken mit variabler Länge verwendet werden, wobei die Länge von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine abhängt. Insbesondere kann die Länge bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine in einem kritischen Bereich (verringerte Zündfähigkeit) deutlich länger gewählt werden als in einem normalen Bereich. Weiterhin kann der Beginn des Zündfunkens entsprechend an die Betriebsbedingungen angepasst werden. Eine Verlängerung des Zünden ist insbesondere bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine vorteilhaft. Weiter ist eine Verlängerung des Zünden bei einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch vorteilhaft. Weitere Betriebsbereiche für eine Verlängerung des Zündens sind durch einen hohen Anteil an externer oder interner Abgasrückführung oder einer geringen Last gekennzeichnet.
-
Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Vorkammerzündkerze,
- 2 eine Ansteuerung mit mehrfachen Einzelfunken, und
- 3 eine Ansteuerung mit eine variablen Länge der Zündfunken.
-
Beschreibung
-
In der 1 wird schematisch eine Brennkraftmaschine 1 mit einem Zylinder 11 dargestellt, in dem einem Kolben 12 angeordnet ist. Der freibleibende Bereich oberhalb des Kolbens 12 des Zylinders 11 definierte einen Brennraum 2. Durch eine Luftzuführung 13 wird dem Brennraum 2 Luft für eine Verbrennung zugeführt und durch eine Abgasleitung 14 wird verbranntes Abgas aus dem Brennraum 2 entfernt. Zur Steuerung der Zuführung von Luft ist ein Lufteinlassventil 23 vorgesehen. Zur Steuerung der Abführung von Abgas ist ein Abgasauslassventil 24 vorgesehen. In den Brennraum 2 Kraftstoff wird Kraftstoff eingebracht, der zusammen mit der zugeführten Luft ein brennbares Gemisch bildet. Die Zuführung von Kraftstoff in den Brennraum 2 erfolgt durch eine Einspritzung von Kraftstoff entweder in die Luftzuführung 13 oder direkt in den Brennraum 2. In der 1 wird schematisch ein Einspritzventil 9 zur direkten Einspritzung einer Kraftstoffwolke 8 in den Brennraum 2 dargestellt. Durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum 2 erfolgt eine Druckerhöhung im Brennraum 2, die den Kolben 12 in einer Auf- und Ab-Bewegung versetzt, welche durch einen Pleuel in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle umgesetzt wird. Es handelt sich somit um eine übliche Otto-Brennkraftmaschine.
-
Die Entzündung oder Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 2 am Ende des Verdichtungstakt oder Beginn des Arbeitstaktes erfolgt durch eine Vorkammerzündkerze 3. Die Vorkammerzündkerze 3 weist Elektroden auf, zwischen denen ein Zündfunken durch Anlegen einer Hochspannung auslösbar ist. Dieser Zündfunken steht jedoch nicht im unmittelbaren Kontakt mit dem brennfähigen Gemisch im Brennraum 2, sondern diese Elektroden sind von einer Kappe 7 umgeben. Die Kappe 7 weist Öffnungen auf, durch die brennfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Innenraum der Kappe 7 gelangt, welches durch einen Zündfunken zwischen den Elektroden der Vorkammerzündkerze 3 entzündet wird. Eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisch im Innenraum der Kappe 7 bewirkt dann einen erhöhten Druck im Innenraum der Kappe 7, so dass sich aus der Kappe 7 heraus mindestens ein Zündstrahl 6 in den Brennraum 2 erstreckt. Der Zündstrahl 6 besteht aus einem brennenden Kraftstoff-Luft-Gemisch, durch den eine Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 2 bewirkt wird.
-
In der 1 wird eine Vorkammerzündkerze gezeigt, die 3 Zündstrahlen aufweist. Es ist aber auch jede andere Anzahl an Zündstrahlen denkbar. Zwischen der dem Zündfunken im Inneren der Kappe 7 und dem mindestens einen Zündstrahl gibt es einen zeitlichen Versatz. Dieser muss bei der Ansteuerung der Vorkammerzündkerze 3 entsprechend berücksichtigt werden. Durch diesen mindestens einen Zündstrahl 6 wird dann die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum 2 ausgelöst. Diese Verbrennung wird dabei an vielen Stellen des Brennraums 2 gleichzeitig ausgelöst. Derartige Verbrennungen, die an mehreren Stellen des Brennraums 2 ausgelöst werden, bewirken eine verbesserte Umsetzung der Verbrennungsenergie in mechanische Leistung, das heißt die Verbrennung erfolgt effizienter als bei einer Auslösung der Verbrennung durch herkömmliche Zündkerzen, die nur einen einzelnen Zündfunken auslösen, der in direktem Kontakt mit dem brennfähigen Gemisch im Brennraum steht. Durch die Verwendung von Vorkammerzündkerzen lässt sich somit ein vorteilhafter Betrieb der Brennkraftmaschine 1 realisieren. Es ist daher vorteilhaft die Verbrennung im Brennraum 2 durch eine Vorkammerzündkerze 3 auszulösen. Weiterhin sind derartige Verbrennungen, die an mehreren Stellen im Brennraum gleichzeitig ausgelöst werden, deutlich unempfindlicher gegen Klopfen. Wenn es doch zu Klopfen kommt, so können auch bei einer Vorkammerzündkerze die üblichen Vorgehensweisen zur Reduzierung der Klopfhäufigkeit verwendet werden. Insbesondere kann der Zeitpunkt der Auslösung der Verbrennung entsprechend zu späteren Zeitpunkten verschoben werden, um ein Auftreten von Klopfen zu vermeiden.
-
Die Verwendung einer Vorkammerzündkerze hat jedoch in manchen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine auch Nachteile. Insbesondere ist es bei der Verwendung einer Vorkammerzündkerze deutlich schwieriger eine sehr späte Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Arbeitstakt zu verwenden. Eine derartige späte Entzündung der Verbrennung ist vorteilhaft im Heizbetrieb eines Katalysators nach dem Kaltstart einer Brennkraftmaschine. Durch eine verspätete Entzündung wird die Temperatur des Abgases erhöht, da die Umsetzung der Energie der Verbrennung in mechanische Arbeit verschlechtert wird. Ein derartiges heißes Abgas wird bei einem Kaltstart verwendet, um eine schnelle Erwärmung des Abgassystems durch die durch die Abgasleitung 14 abgeführten Abgase zu erreichen. Da im Abgassystem Katalysatoren zur Reinigung des Abgases vorgesehen sind, und diese Katalysatoren erst ab einer bestimmten Betriebstemperatur dieser Aufgabe zuverlässig wahrnehmen, wird der durch eine schnelle Aufheizung nach einem Kaltstart die Gesamtemissionen einer Brennkraftmaschine deutlich verringert. Weiterhin ist insbesondere beim Leerlauf oder leerlaufnahen Betriebsbereichen die absolute Menge an eingebrachtem Kraftstoff gering und eine Zündung im Inneren der Kappe 7 der Vorkammerzündkerze 3 kann erschwert sein.
-
Erfindungsgemäß werden daher Maßnahmen zur Verlängerung der Zündung der Vorkammerzündkerze vorgeschlagen, um auch bei Betriebsbedingungen, bei denen eine Zündung durch die Vorkammerzündkerze erschwert ist, eine Zündung der Vorkammerzündkerze und anschließend des Hauptbrennraums sicherzustellen. Es wird so sichergestellt, dass auch in schwierigen Betriebsbereichen d.h. bei problematischen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine eine zuverlässige Entflammung des Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum erfolgt.
-
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dargestellte wird ein Sekundärstromverlauf S2 einer Zündvorrichtung gegenüber der Zeit t. Die Zündvorrichtung besteht aus einem Transformator mit einer Primärspule und einer Sekundärspule. Es wird ein Primärstrom mit einer geringen Spannung in einen Sekundärstrom mit sehr hoher Spannung umgesetzt wird. Der Sekundärstrom in der Sekundärspule ist von seiner Spannung so ausgelegt, dass ein Zündfunke, das heißt ein elektrischer Überschlag, zwischen den Elektroden der Vorkammerzündkerze ausgelöst werden kann. Wie in der
2 zu erkennen ist springt der Sekundärstrom zu einem Zeitpunkt t1 auf einen hohen Wert, da durch Unterbrechung des Stromflusses durch die Primärseite der Zündspule schlagartig ein hoher Sekundärstrom und so ein erster Zündfunken ausgelöst wird. Der Sekundärstrom fällt dann mit der Zeit ab, bis zum Zeitpunkt t2 ein Nachladen der Primärseite der Zündspule erfolgt. Zum Zeitpunkt t3 erfolgt dann erneut anschlagartiger Anstieg des Sekundärstroms, da durch eine schlagartige Veränderung des Primärstroms erneut ein Zündfunken ausgelöst wird. Dieser Vorgang wiederholt sich dann mehrfach. In der
2 werden insgesamt 4 aufeinanderfolgende Zündfunken dargestellt. Durch Beeinflussung des Stromflusses durch die Primärseite der Zündspule werden somit eine Mehrzahl von Zündfunken nacheinander an den Elektroden der Vorkammerzündkerze 3 ausgelöst. Durch die mehrfach aufeinanderfolgenden Zündfunken wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, eine Entflammung des Kraftstoffes im Brennraum 2 auszulösen. Dies ist zum einen dadurch bedingt, dass während der zeitlich aufeinanderfolgenden Zündfunken doch noch eine ausreichende Menge an Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Kappe 7 gelangt bzw. wenn ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit verringerter Zündfähigkeit in der Kappe 7 vorhanden ist, dieses zu entzünden. Eine geeignete Vorrichtung zum Auslösen derartiger mehrfacher aufeinanderfolgende Zündfunken ist bereits aus der
EP 1 299 630 B1 zur Anwendung an herkömmlichen Zündkerzen bekannt.
-
Die einzelnen Parameter dieser mehrfachen aufeinanderfolgenden Zündfunken können dabei jeweils an die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine angepasst werden. Dabei kann sowohl die Anzahl der Zündfunken, der zeitliche Abstand der Zündfunken und die Energie der einzelnen Zündfunken jeweils in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine optimal gewählt werden. Die jeweils optimale Zusammenstellung von Parametern wird dabei insbesondere durch empirische Versuche ermittelt.
-
3 zeigt ein weiteres Verfahren mit Maßnahmen zur Verlängerung des Zündens der Vorkammerzündkerze.
3 zeigt wieder einen Sekundärstrom S2 der Zündvorrichtung gegenüber der Zeit t. Zum Zeitpunkt t1 erfolgt wieder ein sprunghafter Anstieg des Sekundärstroms, da zu diesem Zeitpunkt ein Zündfunken ausgelöst wird. Im Unterschied zur
2 stellte dieser Sekundärstrom im darauffolgenden Zeitraum nicht kontinuierlich ab, sondern bleibt bis zum Zeitpunkt t4 auf einem hohen Niveau. Dieses Niveau des Sekundärstroms kann dabei, so wie in
3 gezeigt, konstant sein oder kann variabel mit einem passenden Profil sein. Dies erfolgt durch eine Vorrichtung wie sie aus der
DE 10 2014 216 028 A1 bereits für herkömmliche Zündkerzen bekannt ist, durch die ein kontinuierliches Nachladen der Primärseite der Zündspule zur Aufrechterhaltung des Zündfunkens erfolgt. Durch diesen zeitlich deutlich verlängerten Zündfunken wird die Wahrscheinlichkeit eine Entzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Kappe 7 der Vorkammerzündkerze 3 deutlich erhöht. Es wird so die Zeit verlängert in der ein ausreichend zündfähiges Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Kappe 7 gelangen kann bzw. die Wahrscheinlichkeit einer Entzündung eines mageren Luft-Kraftstoff-Gemisches (relativ wenig Kraftstoff relativ zur Luft) wird erhöht.
-
Dabei kann in Abhängigkeit von den Betriebsparameter der Brennkraftmaschine sowohl ein optimierter Zeitpunkt zum Beginn des Zündfunkens und auch eine optimale Länge des Zündfunkens ausgewählt werden.
-
Die erfindungsgemäßen Verfahren zur Verlängerung des Zündfunkens sind bei verschiedenen Betriebsbedingungen oder Betriebsparameter der Brennkraftmaschine vorteilhaft. Wie oben bereits erwähnt wurde ist eine derartige Verlängerung der Zündfunken insbesondere bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine vorteilhaft. Dies gilt insbesondere, wenn dabei eine Entzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches derart erfolgen soll, dass ein optimierter Wärmeeintrag in das Abgassystem erfolgen soll. Weiterhin bedürfen Betriebszustände mit einer geringen Last der Brennkraftmaschine einer Unterstützung bei der Entzündung durch die Vorkammerzündkerze 3, da es in diesen Betriebszuständen aufgrund der geringen eingespritzt Kraftstoffmenge schwierig ist ein ausreichend zündfähiges Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Kappe 7 der Vorkammerzündkerze 3 zu gewährleisten. Weiterhin sind auch Betriebsparameter der Brennkraftmaschine mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch für eine Verlängerung der Zündung durch die Vorkammerzündkerze 3 vorteilhaft. Bei einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch liegt ein relativer Überschuss von Sauerstoff relativ zum Kraftstoff vor. Ein derartiges mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch lässt sich deutlich schwieriger entflammen. Wenn jedoch eine Zündung des Gemisches innerhalb der Kappe 7 der Vorkammerzündkerze 3 erreicht wird, so ist die Entzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Rest des Brennraums 2 sichergestellt, da durch die Zündstrahlen zuverlässig eine Entflammung erfolgt. Weiterhin ist eine Entflammung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Brennraum 2 bei einem hohen Anteil an externer oder interner Abgasrückführung erschwert. Auch bei diesen Betriebsparametern ist daher eine Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Verlängerung der Zündung vorteilhaft.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014216028 A1 [0001, 0013]
- EP 1299630 B1 [0001, 0011]