WO2016155870A1 - Brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine - Google Patents

Brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine Download PDF

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Jan Boyde
Philippe GORSE
Jan Gerrit PRUNNBAUER
Joachim Schwarte
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine and a method for operating an internal combustion engine.
  • internal combustion engines which are operated with a so-called multi-point injection (MPI)
  • MPI multi-point injection
  • the ignition behavior is typically coupled to a residual gas content in a combustion chamber of the internal combustion engine and a global
  • Combustion air-fuel ratio which is also referred to as lambda value.
  • Particularly critical are areas that are located in the immediate vicinity of an ignition source around. In order to be able to ignite strongly lean mixtures in the combustion chamber, this is typically subdivided into a main chamber and an antechamber, wherein in the smaller prechamber volume, a reliable ignition can be ensured, and wherein from the antechamber into the main chamber passing torch jets safe firing of the mixture can also ensure in the larger volume of the main chamber.
  • gas-flushed atria which are directly connected to a fuel gas supply, additional components must be provided, for example, an additional gas compressor, a gas cooler, and a fuel gas supply for each combustion chamber.
  • a gas-purged pre-chamber it is also possible for a gas-purged pre-chamber to be coupled to a high-pressure side of a multipoint injection system, the coupling thus being connected upstream of a controllable multi-point injection valve.
  • the amount of fuel purged into the pre-chamber is dependent on the supply pressure in the fuel line upstream of the controllable valve of the multi-point injection.
  • the invention has for its object to provide an internal combustion engine and a method for operating an internal combustion engine, said disadvantages do not occur.
  • the object is achieved by the objects of the independent claims are created.
  • Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
  • an internal combustion engine which has at least one combustion chamber with a charging path for supplying a
  • Combustion air-fuel mixture is connected through the charging path in the combustion chamber, wherein in a combustion chamber separately assigned portion of the charging path
  • the Brennstoffzumisch Scheme is on the one hand with the charging path and on the other hand with a
  • Fuel line in fluid communication wherein the fuel line is arranged to supply fuel in the Brennstoffzumisch Scheme via a controllable valve.
  • the combustion chamber has a main chamber and an antechamber, wherein the prechamber is in fluid communication with the main chamber via at least one bore.
  • the internal combustion engine is characterized in that the pre-chamber and the fuel mixing area are in fluid communication with one another via a check valve. That the fuel mixing area in a the
  • Combustion chamber is arranged separately assigned portion of the charging path, in particular means that it is located downstream of a branch in which the charging path divides leading to different combustion chambers Saugrohrabchanginge when the internal combustion engine has more than one combustion chamber.
  • the internal combustion engine is set up for operation with multi-point injection (MPI), wherein in the case in which the internal combustion engine has a plurality of combustion chambers, for each combustion chamber separately and combustion chamber individually a fuel quantity in the Combustion chamber can be metered separately assigned portion of the charging path.
  • MPI multi-point injection
  • the Brennstoffzumisch Symposium is disposed on a low pressure side of the device for multipoint injection, namely downstream of the controllable valve. The fact that the antechamber on the check valve with the fuel mixing area in
  • Fluid connection is, it is not with a high-pressure area of the device to
  • the purged amount of fuel is independent of the high pressure side supply pressure of Meluanginspritz device, in particular the high pressure side supply pressure in the fuel line. Rather, the purged amount depends directly on a pressure difference between the pressure in the fuel mixing area on the one hand and the instantaneous pressure in the pre-chamber on the other hand.
  • the check valve can open or close, in particular, an automatic flushing of the pre-chamber in dependence of the currently prevailing pressure conditions is possible. It requires no additional components, in particular no additional gas compressor, gas cooler or an additional
  • Gas supply to the pre-chamber because it is supplied with fuel directly from the fuel mixing area. It is thus possible to realize the behavior of a gas-purged prechamber by means of a simple check valve.
  • check valve is here and below in particular a
  • Valve device understood that is dependent on a falling over the valve means differential pressure in an open position and in a closed position displaced.
  • Valve device opens and thus closes depending on the pressure conditions on the one hand upstream and on the other hand downstream of the valve device.
  • a valve member or valve body is urged under bias against a valve seat, wherein the valve means in this case opens when a drop across her differential pressure acting on the valve element or the valve body biasing force in Opening direction exceeds.
  • the Brennstoffzumisch Symposium is preferably formed as Brennstoffzumischhunt. This has in particular a chamber wall, which projects at least partially into the charge path separately assigned portion, wherein the wall of the
  • Brennstoffzumischhunt is preferably interrupted by at least one connecting bore through which the separately associated portion of the charging path is in fluid communication with the Brennstoffzumischhunt.
  • the proposed internal combustion engine connects in a cost effective manner, the advantages of a multi-point injection with a gas-purged pre-chamber and thus allows In particular, the use of a purged pre-chamber in areas where this is not usual, especially in the field of marine applications, applications of
  • An embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is characterized in that a connection path is provided, which opens at a first end of two ends of the connection path in the Brennstoffzumisch Symposium, wherein it opens at a second end of the two ends in the antechamber.
  • the check valve is in the
  • connection path arranged.
  • the connection path is a particularly simple
  • connection path is realized as a line, in particular as a pipe or hose.
  • the connection path may be at least partially or even completely as a channel and in particular at least partially formed as a bore, which may be at least partially formed in a cylinder head of the internal combustion engine.
  • connection path is at least partially integrated in a wall of the antechamber.
  • the check valve in a wall of the prechamber and / or in a
  • connection path preferably has exactly two ends, namely the first end and the second end, wherein the two ends are provided opposite one another at the connection path. Fuel gas therefore flows in particular along the connection path from the first end to the second end.
  • the check valve is in particular arranged between the first end and the second end of the connection path.
  • the check valve is biased into a closed position, wherein it is oriented in particular in the connection path, that in the region of the first end of the communication path, ie upstream of the check valve, prevailing pressure tends to urge the check valve from its closed position to an open position Conversely, where a pressure prevailing in the region of the second end of the communication path tends to urge the check valve in addition to the biasing force in its closed position.
  • the check valve therefore opens preferably when the pressure in the
  • Prechamber is smaller than the pressure in the fuel mixing area, with a
  • the differential pressure between the pressure in the fuel mixing area and the pressure in the prechamber must be greater than a predetermined limit differential pressure, which is determined in particular by the bias of the check valve.
  • the pressure in the fuel mixing area preferably corresponds at least substantially to a boost pressure, since the fuel mixing area is in fluid communication with the charging path, preferably via at least one bore.
  • the pressure in the pre-chamber essentially depends on the combustion chamber pressure and is thus, in particular, a function of the crank angle of the internal combustion engine, wherein it intermittently coincides with the movement of a piston in the combustion chamber - in the case of a reciprocating piston engine
  • the differential pressure also depends in particular on a position of an intake valve and / or an exhaust valve, wherein the intake valve connects the main chamber of the combustion chamber with the charging path, wherein the exhaust valve connects the main chamber of the combustion chamber with an exhaust path.
  • An exemplary embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is characterized
  • control times for the inlet valve determine a course of the differential pressure and thus a flushing behavior of the prechamber. It is possible to realize an adjustment of the timing for the intake valve optimal flushing of the prechamber.
  • the combustion chamber with the charging path via at least one variably controllable inlet valve in particular via an inlet valve with fully variable valve train, fluidly connected.
  • the controllable fuel valve is designed as a metering valve for multipoint injection.
  • Connection path opens. This represents a particularly simple and inexpensive to manufacture embodiment of the internal combustion engine, because the connection path can be used as it were with two functions. On the one hand, it serves in regions for supplying pure fuel from the fuel line into the fuel mixing area, in particular via its first end opening into the fuel mixing area, and on the other hand it serves - as already described above - the fluid connection between the fuel mixing area and the prechamber. It is provided in particular that the fuel line opens downstream of the controllable fuel valve in the connection path. The connection path is then not connected to the high-pressure region of the fuel line arranged upstream of the controllable fuel valve, but to the low-pressure region arranged downstream of the controllable valve. Thus, it is especially on the low pressure side of Means arranged for multi-point injection.
  • connection path serves both to supply fuel to the
  • the internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating engine. At a
  • the internal combustion engine is used to drive in particular heavy land or water vehicles, such as mining vehicles, trains, the internal combustion engine is used in a locomotive or a railcar, or ships. It is also possible to use the internal combustion engine to drive a defense vehicle, for example a tank.
  • An embodiment of the internal combustion engine is preferably also stationary, for example, for stationary
  • the internal combustion engine in this case preferably drives a generator.
  • Internal combustion engine in the field of promotion of fossil raw materials and in particular fuels, for example oil and / or gas possible. It is also possible to use the internal combustion engine in the industrial sector or in the field of construction, for example in a construction or construction machine, for example in a crane or an excavator.
  • Internal combustion engine is preferably designed as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or another suitable gas, or as a dual-fuel engine for operation with two different fuels, in particular as a dual-fuel engine or as a bi-fuel engine.
  • the internal combustion engine when the internal combustion engine is designed as a gas engine, it is suitable for use in a cogeneration plant for stationary power generation.
  • an embodiment of the internal combustion engine is preferred, which is designed as a gas engine, in particular as a lean-burn gas engine. In this way, the advantages of the purged pre-chamber for the reliable ignition of a highly defatted mixture in the main chamber of the combustion chamber are realized in a special way.
  • the object is also achieved by providing a method for operating an internal combustion engine in which at least one combustion chamber divided into a main chamber and an antechamber combustion chamber in an intake stroke, a combustion air-fuel mixture is supplied via a charging path, wherein the combustion air-fuel mixture is generated in a separately assigned to the combustion chamber portion of the charging path by a arranged in the separate section Brennstoffzumisch Scheme - in particular a
  • the fact that the fuel from the fuel mixing area is led directly into the antechamber means, in particular, that the fuel is conducted from the fuel mixing area into the prechamber without being detoured via the charging path. Rather, the fuel is a directly between the Brennstoffzumisch Scheme and the pre-chamber connecting path directly dependent on the pressure in the pre-chamber on the one hand and the pressure in the
  • the pressure in the pre-chamber is - as already explained - in particular a function of the crank angle of the internal combustion engine.
  • An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that fuel - or optionally a combustion air-fuel mixture - from the
  • the predetermined value-in particular a limit differential pressure- is preferably determined by the bias of a check valve, which is arranged in the connection path between the fuel mixing area and the pre-chamber.
  • An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that an inlet valve, which connects the main chamber of the combustion chamber with the charging path, is actuated with a Miller control time.
  • the intake valve is closed either before reaching a bottom dead center of the displaceable in the combustion chamber piston in an intake stroke, or that the intake valve is closed anyway so early that the pressure in the combustion chamber due to gas-dynamic effects even after closing the intake valve still in a certain crank angle range below a level of
  • Inlet valve closes exactly when reaching the bottom dead center of the piston. This is due to the inertia of the gas flow in the charging path on the one hand and in the combustion chamber on the other.
  • an embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the internal combustion engine is operated with gas.
  • the internal combustion engine with a methane-containing gas, in particular natural gas, landfill gas, biogas, special gas,
  • Internal combustion engine is conditional.
  • the internal combustion engine is preferably characterized by at least one feature which is preferred by at least one step
  • Embodiment of the method is conditional.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment internal combustion engine
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic, diagrammatic representation of an embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine 1. This has a combustion chamber 3, which is divided into a main chamber 5 and a
  • Prechamber 7 Here are the main chamber 5 and the prechamber 7 via holes 9 in fluid communication with each other.
  • the pre-chamber 7 serves to safely ignite a richer combustion air-fuel mixture in the relatively small
  • Prechamber volume wherein torch jets on the holes 9 enter the main chamber 5, when the mixture is ignited in the prechamber 7, wherein a present in the main chamber 5, leaner combustion air-fuel gas mixture is flamed safely and completely by the torch jets.
  • torch jets on the holes 9 enter the main chamber 5, when the mixture is ignited in the prechamber 7, wherein a present in the main chamber 5, leaner combustion air-fuel gas mixture is flamed safely and completely by the torch jets.
  • the combustion chamber 3, in particular the main chamber 5, is fluidly connected to a charging path 11, wherein the charging path 11 is adapted for supplying a combustion air-fuel mixture through the charging path 11 into the combustion chamber 3, in particular into the main chamber 5.
  • the internal combustion engine 1 is preferably designed as a reciprocating engine , wherein in the main chamber 5 of the combustion chamber 3, a piston, not shown in Figure 1, is received displaceably.
  • the internal combustion engine 1 preferably has a plurality of
  • Combustion chambers 3 in particular four cylinders, six cylinders, eight cylinders, ten cylinders, twelve cylinders, sixteen cylinders, eighteen cylinders, twenty cylinders or twenty-four cylinders. Also a smaller, larger or different number of cylinders is possible. Furthermore, it is possible for the internal combustion engine 1 to be designed as a series engine, as a V engine, as a W engine, or with another configuration of the combustion chambers 3.
  • a multi-point injection is provided for the internal combustion engine 1, wherein preferably the controllable fuel valve 19 is designed as a metering valve for a multi-point injection (MPI).
  • MPI multi-point injection
  • the Brennstoffzumischhunt 15 is fluidly connected to the charging path 11 and in particular the portion 13 via a plurality of Zumischbohronne 23. It is possible that charge air from the charging path 11 through the Zumischbohronne 23 in the
  • connection path 25 which opens at a first end 27 of two ends in the Brennstoffzumischhunt 15, wherein it opens at a second end 29 of the two ends 27, 29 in the antechamber 7.
  • the check valve 21 is disposed in the communication path 25. It can be seen here that the connection path 25 is partially integrated here into a wall 31 of the antechamber 7. In particular, the check valve 21 is integrated into the wall 31.
  • check valve 21 is biased to a closed position, being arranged between the first end 27 and the second end 29 in the communication path 25 such that a pressure upstream of the check valve 21 on the side of the first end 27 in FIG the connection path 25, the check valve 21 tends to be out of his
  • Closing position in an open position urges, with a pressure downstream of the
  • the check valve 21 opens when the pressure in the pre-chamber 7 is smaller than the pressure in the Brennstoffzumischhunt 15, in particular when a differential pressure between the pressure in the Brennstoffzumischhunt 15 and the pressure in the prechamber 7 is greater than a predetermined limit differential pressure in particular by the geometric design of effective areas of the check valve 21 and the bias of the same in his
  • the flushing behavior of the pre-chamber 7 can be adjusted or adjusted in particular by geometric design of the check valve 21 and adjusting the bias of the same.
  • the combustion chamber 3, in particular the main chamber 5, is connected to the charging path 11 via a
  • the inlet valve 33 fluidly connected.
  • the inlet valve 33 preferably has a fully variable valve drive, not shown in FIG. 1, so that control times for the inlet valve 33 can be varied, in particular as a function of the operating point.
  • the combustion chamber 3, in particular the main chamber 5, is also provided with an exhaust valve 35 with an exhaust path 37 fluidly connected.
  • a control of the inlet valve 33 but preferably also via a control of the outlet valve 35, it is possible to influence the pressure conditions in the combustion chamber 3, in particular in relation to the pressure in the charging path 11 and thus the flushing behavior of the pre-chamber 7 - in particular operating point-dependent - to influence.
  • the internal combustion engine 1 is preferably designed as a gas engine, in particular as a lean-burn gas engine.
  • a fuel gas preferably a methane-containing fuel gas, is used as the fuel.
  • Combustion air-fuel mixture is arranged.
  • This may be, for example, an electric spark plug, a corona spark plug, a laser spark plug or other suitable spark plug or igniter.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of a
  • connection path 25 opens into the connection path 25.
  • Fig. 3 shows a schematic, diagrammatic representation of an embodiment of the method.
  • Figure 3a shows a plot of a pressure p against a crank angle of a crankshaft of the internal combustion engine 1 in degrees crank angle (° CA).
  • first curve Kl here is the pressure curve in the combustion chamber 3, in particular in the main chamber 5, shown, wherein the pressure in the main chamber 5 substantially corresponds to the pressure in the pre-chamber 7.
  • dotted curve K2 a charge pressure is shown, which prevails in the charging path 11 and in particular in the combustion chamber 3 separately assigned portion 13. It turns out that the boost pressure is substantially constant and in particular varies only slightly depending on the instantaneous crank angle of the internal combustion engine 1.
  • dashed curve K3 a control curve for the outlet valve 35 is shown.
  • dash-dotted curve K4 a control curve for the inlet valve 33 is shown.
  • a first, dashed area Fl indicates an area in a range between the first solid line K1 of the cylinder pressure and the second dot line K2 of the supercharging pressure, in which the cylinder pressure is smaller than the supercharging pressure. There is therefore a positive purge gradient, whereby this results in a first flushing process.
  • Check valve 21 opens so, and it will be fuel or a rich mixture of the
  • the first area Fl can also be omitted.
  • Such a configuration can have advantages.
  • first surface area Fl the risk of self-ignition of the introduced fuel, which can be prevented by avoiding the formation of this surface area Fl.
  • the dash-dot control curve of the intake valve 33 shows that this closes at 540 ° CA, namely, when the piston reaches its bottom dead center. This corresponds to a Miller control time, due to the inertia of the gas flow, a pressure difference in the sense of a positive purge between the boost pressure in the Brennstoffzumischhunt 15 and the pressure in the combustion chamber 3 stops, so that the purge continues beyond the closing of the intake valve 33 addition.
  • FIG. 7 shows a mass flow rh plotted against the crank angle.
  • the first rinsing process in the area of the first surface area F1 shown in FIG. 3a) and the second rinsing process can be recognized in the area of the second area area F2 shown in FIG. 3a).
  • the main amount of fuel during the second rinsing process is introduced into the antechamber 7. In this case, the flushing takes place in particular due to the pressure losses in the inlet members, whereby thereby the pressure in the cylinder is below the boost pressure level.
  • the inlet valve 33 In order to implement the method, it is not absolutely necessary for the inlet valve 33 to be actuated with a Miller control time. Rather, the method can also be carried out meaningfully with other control times. However, a Miller control time increases the efficiency of the process and improves the flushing of the antechamber 7.

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Abstract

Es wird eine Brennkraftmaschine (1), mit wenigstens einem Brennraum (3), der eine Hauptkammer (5) und eine Vorkammer (7) aufweist, wobei die Vorkammer (7) über wenigstens eine Bohrung (9) mit der Hauptkammer (5) in Fluidverbindung ist, wobei der wenigstens eine Brennraum (3) mit einem Ladepfad (11) zur Zuführung von einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch durch den Ladepfad (11) in den Brennraum (3) verbunden ist, wobei in einem dem Brennraum (3) separat zugeordneten Abschnitt (13) des Ladepfads (11) ein Brennstoffzumischbereich (14) angeordnet ist, der einerseits mit dem Ladepfad (11) und andererseits mit einer Brennstoffleitung (17) zur Zuführung von Brennstoff in den Brennstoffzumischbereich (14) über ein ansteuerbares Brennstoffventil (19) in Fluidverbindung ist, vorgeschlagen. Die Brennkraftmaschine (1) zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorkammer (7) und der Brennstoffzumischbereich (14) über ein Rückschlagventil (21) miteinander in Fluidverbindung sind.

Description

BESCHREIBUNG Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Bei Brennkraftmaschinen, die mit einer sogenannten Mehrpunkteinspritzung (Multi-Point- Injection - MPI) betrieben werden, ist das Zündverhalten typischerweise gekoppelt an einen Restgasgehalt in einem Brennraum der Brennkraftmaschine sowie ein globales
Verbrennungsluft-Brennstoff- Verhältnis, das auch als Lambdawert bezeichnet wird. Besonders kritisch sind dabei Bereiche anzusehen, die in direkter Nachbarschaft um eine Zündquelle herum lokalisiert sind. Um auch stark abgemagerte Gemische in dem Brennraum zünden zu können, wird dieser typischerweise in eine Hauptkammer und eine Vorkammer unterteilt, wobei in dem kleineren Vorkammervolumen eine sichere Zündung gewährleistet werden kann, und wobei aus der Vorkammer in die Hauptkammer übertretende Fackelstrahlen eine sichere Entflammung des Gemischs auch in dem größeren Volumen der Hauptkammer gewährleisten können. Bei gasgespülten Vorkammern, die direkt mit einer Brenngasversorgung verbunden sind, müssen Zusatzkomponenten vorgesehen werden, beispielsweise ein zusätzlicher Gaskompressor, ein Gaskühler, sowie eine Brenngasversorgung für jeden Brennraum. Es ist auch möglich, dass eine gasgespülte Vorkammer mit einer Hochdruckseite eines Mehrpunkt-Einspritzsystems gekoppelt ist, wobei die Kopplung demnach stromaufwärts eines ansteuerbaren Ventils zur Mehrpunkt- Einspritzung verbunden ist. Somit ist aber die in die Vorkammer gespülte Menge an Brennstoff abhängig von dem Versorgungsdruck in der Brennstoffleitung stromaufwärts des ansteuerbaren Ventils der Mehrpunkt-Einspritzung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten. Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, in dem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, die wenigstens einen Brennraum aufweist, der mit einem Ladepfad zur Zuführung von einem
Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch durch den Ladepfad in den Brennraum verbunden ist, wobei in einem dem Brennraum separat zugeordneten Abschnitt des Ladepfads ein
Brennstoffzumischbereich vorzugsweise eine Brennstoffzumischkammer, angeordnet ist. Der Brennstoffzumischbereich ist einerseits mit dem Ladepfad und andererseits mit einer
Brennstoffleitung in Fluidverbindung, wobei die Brennstoffleitung eingerichtet ist zur Zuführung von Brennstoff in den Brennstoffzumischbereich über ein ansteuerbares Ventil. Der Brennraum weist eine Hauptkammer und eine Vorkammer auf, wobei die Vorkammer über wenigstens eine Bohrung mit der Hauptkammer in Fluidverbindung ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorkammer und der Brennstoffzumischbereich über ein Rückschlagventil miteinander in Fluidverbindung sind. Dass der Brennstoffzumischbereich in einem dem
Brennraum separat zugeordneten Abschnitt des Ladepfads angeordnet ist, bedeutet insbesondere, dass er stromabwärts einer Abzweigung angeordnet ist, in welcher sich der Ladepfad auf zu verschiedenen Brennräumen führende Saugrohrabschnitte aufteilt, wenn die Brennkraftmaschine mehr als einen Brennraum aufweist. Dies bedeutet bevorzugt, dass die Brennkraftmaschine eingerichtet ist zum Betrieb mit einer Mehrpunkteinspritzung (Multi-Point-Injection - MPI), wobei in dem Fall, in welchem die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von Brennräumen aufweist, für jeden Brennraum separat und brennraumindividuell eine Brennstoffmenge in den dem Brennraum separat zugeordneten Abschnitt des Ladepfads eindosiert werden kann. Der Brennstoffzumischbereich ist mit der Brennstoffleitung über ein ansteuerbares Brennstoffventil in Fluidverbindung, sodass er insbesondere stromabwärts des ansteuerbaren Ventils angeordnet ist. Somit ist der Brennstoffzumischbereich auf einer Niederdruckseite der Einrichtung zur Mehrpunkteinspritzung angeordnet, nämlich stromabwärts des ansteuerbaren Ventils. Dadurch dass die Vorkammer über das Rückschlagventil mit dem Brennstoffzumischbereich in
Fluidverbindung ist, steht sie nicht mit einem Hochdruckbereich der Einrichtung zur
Mehrpunkteinspritzung, sondern vielmehr mit einem Niederdruckbereich stromabwärts des ansteuerbaren Ventils in Fluidverbindung. Die Brennkraftmaschine weist Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Insbesondere ist die gespülte Brennstoffmenge unabhängig von dem hochdruckseitigen Versorgungsdruck der Melupunkteinspritz-Einrichtung, insbesondere dem hochdruckseitigen Versorgungsdruck in der Brennstoffleitung. Vielmehr hängt die gespülte Menge direkt von einer Druckdifferenz zwischen dem Druck in dem Brennstoffzumischbereich einerseits und dem momentanen Druck in der Vorkammer andererseits ab. In Abhängigkeit von diesen Druckverhältnissen kann nämlich das Rückschlagventil öffnen oder schließen, wobei insbesondere eine automatische Spülung der Vorkammer in Abhängigkeit der momentan herrschenden Druckverhältnisse möglich ist. Dabei bedarf es keiner Zusatzkomponenten, insbesondere keines zusätzlichen Gaskompressors, Gaskühlers oder einer zusätzlichen
Gasversorgung für die Vorkammer, weil diese direkt aus dem Brennstoffzumischbereich mit Brennstoff versorgt wird. Es ist somit möglich, das Verhalten einer gasgespülten Vorkammer mithilfe eines einfachen Rückschlagventils zu verwirklichen.
Unter dem Begriff„Rückschlagventil" wird hier und im Folgenden insbesondere eine
Ventileinrichtung verstanden, die abhängig von einem über der Ventileinrichtung abfallenden Differenzdruck in eine Offenstellung und in eine Schließstellung verlagerbar ist. Die
Ventileinrichtung öffnet und schließt somit in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen einerseits stromaufwärts und andererseits stromabwärts der Ventileinrichtung. Bei einer besonders einfachen und kostengünstigen Ausgestaltung des Rückschlagventils ist vorgesehen, dass ein Ventilelement oder Ventilkörper unter Vorspannung gegen einen Ventilsitz gedrängt wird, wobei die Ventileinrichtung in diesem Fall dann öffnet, wenn ein über ihr abfallender Differenzdruck die auf das Ventilelement oder den Ventilkörper wirkende Vorspannkraft in Öffnungsrichtung übersteigt.
Der Brennstoffzumischbereich ist vorzugsweise als Brennstoffzumischkammer ausgebildet. Diese weist insbesondere eine Kammerwandung auf, die zumindest bereichsweise in den dem Ladepfad separat zugeordneten Abschnitt hereinragt, wobei die Wandung der
Brennstoffzumischkammer vorzugsweise durch wenigstens eine Verbindungsbohrung durchbrochen ist, durch welche der separat zugeordnete Abschnitt des Ladepfads mit der Brennstoffzumischkammer in Fluidverbindung ist.
Die hier vorgeschlagene Brennkraftmaschine verbindet in kostengünstiger Weise die Vorteile einer Mehrpunkteinspritzung mit einer gasgespülten Vorkammer und ermöglicht somit insbesondere den Einsatz einer gespülten Vorkammer auch in Bereichen, in denen dies bisher nicht üblich ist, insbesondere im Bereich mariner Anwendungen, Anwendungen der
Brennkraftmaschine zum Antrieb von Schienenfahrzeugen, Anwendungen im Konstruktionsund Industriebereich, Anwendungen zur Förderung von Rohstoffen, insbesondere zur Förderung von Öl und/oder Gas, und zahlreiche andere Anwendungen. Dabei erweist es sich insbesondere in sicherheitssensiblen Bereichen, beispielsweise im marinen Bereich, als vorteilhaft, dass bei der hier vorgeschlagenen Brennkraftmaschine kein brennbares Gemisch mehr um den Motor geführt werden muss. Weiterhin kann der Motor mithilfe der gespülten Vorkammer mager gefahren werden. Die bewirkt wiederum eine Vergrößerung einer zulässigen Spreizung eines Lambda- Werts, also eines Verbrennungsluft-Brennstoff- Verhältnisses, was letztlich zu einer verbesserten Lastannahme und insbesondere zu einem verbesserten Transientverhalten der Brennkraftmaschine führt. Durch die Abmagerung in stationären Zykluspunkten können auch Stickoxid-Emissionen der Brennkraftmaschine gesenkt werden. Durch die zündverstärkende Wirkung der Vorkammer steigt der Motorwirkungsgrad. Außerdem weist die
Brennkraftmaschine ein verbessertes Zündverhalten auf, sodass sich insbesondere Zündaussetzer im Leerlauf wirksam vermeiden lassen.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein Verbindungspfad vorgesehen ist, der an einem ersten Ende von zwei Enden des Verbindungspfads in den Brennstoffzumischbereich mündet, wobei er an einem zweiten Ende der zwei Enden in die Vorkammer mündet. Das Rückschlagventil ist in dem
Verbindungspfad angeordnet. Der Verbindungspfad stellt dabei eine besonders einfache
Realisierung einer Fluidverbindung zwischen dem Brennstoffzumischbereich und der
Vorkammer dar. Es ist möglich, dass der Verbindungspfad als Leitung realisiert ist, insbesondere als Rohrleitung oder als Schlauch. Der Verbindungspfad kann zumindest bereichsweise oder auch vollständig auch als Kanal und insbesondere zumindest bereichsweise als Bohrung ausgebildet sein, wobei diese zumindest teilweise in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgebildet sein kann. Weiterhin ist es möglich, dass der Verbindungspfad zumindest bereichsweise in eine Wandung der Vorkammer integriert ist. Besonders bevorzugt ist es möglich, dass das Rückschlagventil in eine Wandung der Vorkammer und/oder in einen
Zylinderkopf der Brennkraftmaschine integriert ist. Dies ermöglicht eine ebenso einfache wie kostengünstige Herstellung der Brennkraftmaschine. Der Verbindungspfad weist vorzugsweise genau zwei Enden auf, nämlich das erste Ende und das zweite Ende, wobei die beiden Enden einander gegenüberliegend an dem Verbindungspfad vorgesehen sind. Brenngas strömt also insbesondere entlang des Verbindungspfads von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende. Das Rückschlagventil ist insbesondere zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Verbindungspfads angeordnet.
Bevorzugt ist das Rückschlagventil in eine Schließstellung vorgespannt, wobei es insbesondere derart in dem Verbindungspfad orientiert ist, dass ein in dem Bereich des ersten Endes des Verbindungspfads, also stromaufwärts des Rückschlagventils, herrschender Druck dazu tendiert, das Rückschlagventil aus seiner Schließstellung in eine Offenstellung zu drängen, wobei umgekehrt ein im Bereich des zweiten Endes des Verbindungspfads herrschender Druck dazu tendiert, das Rückschlagventil zusätzlich zu der Vorspannkraft in seine Schließstellung zu drängen. Das Rückschlagventil öffnet demnach bevorzugt dann, wenn der Druck in der
Vorkammer kleiner ist als der Druck in dem Brennstoffzumischbereich, wobei ein
Differenzdruck zwischen dem Druck in dem Brennstoffzumischbereich und dem Druck in der Vorkammer insbesondere größer sein muss als ein vorbestimmter Grenz-Differenzdruck, der insbesondere durch die Vorspannung des Rückschlagventils bestimmt ist. Dabei zeigt sich, dass der Druck in dem Brennstoffzumischbereich vorzugsweise zumindest im Wesentlichen einem Ladedruck entspricht, da der Brennstoffzumischbereich - vorzugsweise über wenigstens eine Bohrung - mit dem Ladepfad in Fluidverbindung ist. Der Druck in der Vorkammer hängt dagegen im Wesentlichen von dem Brennraumdruck ab und ist somit insbesondere eine Funktion des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine, wobei er periodisch mit der Bewegung eines Kolbens in dem Brennraum - bei einer als Hubkolbenmaschine
ausgebildeten Brennkraftmaschine - variiert. Ferner hängt der Differenzdruck insbesondere auch von einer Stellung eines Einlassventils und/oder eines Auslassventils ab, wobei das Einlassventil die Hauptkammer des Brennraums mit dem Ladepfad verbindet, wobei das Auslassventil die Hauptkammer des Brennraums mit einem Abgaspfad verbindet.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch
auszeichnet, dass der Brennraum mit dem Ladepfad über wenigstens ein Einlassventil fluidverbunden ist. Dabei bestimmen insbesondere Steuerzeiten für das Einlassventil einen Verlauf des Differenzdrucks und somit ein Spülverhalten der Vorkammer. Es ist möglich, über eine Einstellung der Steuerzeiten für das Einlassventil eine optimale Spülung der Vorkammer zu verwirklichen. Besonders bevorzugt ist der Brennraum mit dem Ladepfad über wenigstens ein variabel ansteuerbares Einlassventil, insbesondere über ein Einlassventil mit vollvariablem Ventiltrieb, fluidverbunden. Somit ist es möglich, insbesondere betriebspunktabhängig die Steuerzeiten des Einlassventils zu variieren und so jederzeit und insbesondere in jedem
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine eine optimale Spülung der Vorkammer über den
Differenzdruck zu verwirklichen.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Brennraum mit dem Ladepfad über zwei Einlassventile, insbesondere über zwei variabel ansteuerbare Einlassventile, fluidverbunden. Es wird auch ein Ausfuhrungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, dass sich dadurch auszeichnet, dass das ansteuerbare BrennstoffVentil als Dosierventil zur Mehrpunkteinspritzung ausgebildet ist. Dabei verwirklichen sich die bereits zuvor erwähnten Vorteile.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Brennstoffleitung, welche zur Zuführung von Brennstoff in den
Brennstoffzumischbereich über das ansteuerbare Brennstoffventil vorgesehen ist, in den
Verbindungspfad mündet. Dies stellt eine besonders einfache sowie kostengünstig herzustellende Ausgestaltung der Brennkraftmaschine dar, weil der Verbindungspfad gleichsam mit zwei Funktionen genutzt werden kann. Zum einen dient er bereichsweise zur Zuführung von reinem Brennstoff aus der Brennstoffleitung in den Brennstoffzumischbereich, insbesondere über sein erstes, in den Brennstoffzumischbereich mündendes Ende, zum anderen dient er - wie zuvor bereits beschrieben - der Fluidverbindung zwischen dem Brennstoffzumischbereich und der Vorkammer. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Brennstoffleitung stromabwärts des ansteuerbaren Brennstoffventils in den Verbindungspfad mündet. Der Verbindungspfad ist dann nicht mit dem stromaufwärts des ansteuerbaren Brennstoffentils angeordneten Hochdruckbereich der Brennstoffleitung, sondern mit dem stromabwärts des ansteuerbaren Ventils angeordneten Niederdruckbereich verbunden. Somit ist er insbesondere auf der Niederdruckseite der Einrichtung zur Mehrpunkteinspritzung angeordnet. Auf diese Weise ist es ohne weiteres und ohne zusätzliche Maßnahmen möglich, die Brennstoffleitung stromabwärts des ansteuerbaren Brennstoffventils - also niederdruckseitig - mit dem Verbindungspfad zu verbinden. Es kann insbesondere eine Mündung in den Brennstoffzumischbereich eingespart werden, sodass entsprechende Fertigungsschritte und damit verbundene Herstellkosten entfallen. Vielmehr dient das erste Ende des Verbindungspfads sowohl zur Zuführung von Brennstoff in den
Brennstoffzumischbereich, als auch zur Zuführung von Brennstoff oder einem fetten
Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch aus dem Brennstoffzumischbereich über den
Verbindungspfad und das Rückschlagventil in die Vorkammer.
Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären
Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der
Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die
Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Ottomotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, oder als Zweistoffmotor zum Betrieb mit zwei verschiedenen Brennstoffen, insbesondere als Dual-Fuel-Motor oder als Bi-Fuel-Motor, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet. Ganz besonders wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das als Gasmotor, insbesondere als Magergasmotor ausgebildet ist. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile der gespülten Vorkammer zur sicheren Zündung eines auch stark abgemagerten Gemischs in der Hauptkammer des Brennraums.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine geschaffen wird, bei dem wenigstens einem in eine Hauptkammer und eine Vorkammer unterteilten Brennraum in einem Ansaugtakt ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch über einen Ladepfad zugeführt wird, wobei das Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch in einem dem Brennraum separat zugeordneten Abschnitt des Ladepfads erzeugt wird, indem ein in dem separaten Abschnitt angeordneten Brennstoffzumischbereich - insbesondere einer
Brennstoffzumischkammer - Brennstoff - besonders bevorzugt reiner Brennstoff - durch eine Brennstoff leitung über ein ansteuerbares Brennstoffventil zugeführt wird, wobei Brennstoff aus dem Brennstoffzumischbereich direkt in die Vorkammer geführt wird, wenn der Druck in der Vorkammer kleiner ist als der Druck in dem Brennstoffzumischbereich. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Verfahren insbesondere die Vorteile, die bereits in
Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
Dass der Brennstoff aus dem Brennstoffzumischbereich direkt in die Vorkammer geführt wird bedeutet insbesondere, dass der Brennstoff aus dem Brennstoffzumischbereich ohne Umweg über den Ladepfad in die Vorkammer geführt wird. Vielmehr wird dem Brennstoff über einen zwischen dem Brennstoffzumischbereich und der Vorkammer bestehenden Verbindungspfad direkt abhängig von dem Druck in der Vorkammer einerseits und dem Druck in dem
Brennstoffzumischbereich andererseits in die Vorkammer geführt.
Da der Brennstoffzumischbereich mit dem Ladepfad in Fluidverbindung ist, ist es möglich, dass teilweise auch Verbrennungsluft in den Brennstoffzumischbereich gelangt. Es ist also möglich, dass sich in diesem ein - dann allerdings im Vergleich zu dem Ladepfad der Hauptkammer fettes - Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch bildet. In diesem Fall wird der Vorkammer aus dem Brennstoffzumischbereich direkt dieses Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zugeführt. Der Druck in dem Brennstoffzumischbereich entspricht vorzugsweise - bis auf gegebenenfalls strömungsbedingte Druckunterschiede aufgrund einer Bohrung zwischen dem
Brennstoffzumischbereich, insbesondere der Brennstoffzumischkammer, und dem Ladepfad - dem Ladedruck in dem Ladepfad. Der Druck in der Vorkammer ist dagegen - wie bereits erläutert - insbesondere eine Funktion des Kurbelwinkels der Brennkraftmaschine.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass Brennstoff - oder gegebenenfalls ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch - aus dem
Brennstoffzumischbereich direkt in die Vorkammer geführt wird, wenn ein Differenzdruck zwischen dem Druck in dem Brennstoffzumischbereich und dem Druck in der Vorkammer einen vorbestimmten Wert überschreitet. Dabei ist der vorbestimmte Wert - insbesondere ein Grenz- Differenzdruck - vorzugsweise bestimmt durch die Vorspannung eines Rückschlagventils, welches in dem Verbindungspfad zwischen dem Brennstoffzumischbereich und der Vorkammer angeordnet ist.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Einlassventil, welches die Hauptkammer des Brennraums mit dem Ladepfad verbindet, mit einer Miller-Steuerzeit angesteuert wird. Dies bedeutet insbesondere, dass das Einlassventil entweder vor Erreichen eines unteren Totpunkts des in dem Brennraum verlagerbaren Kolbens in einem Ansaugtakt geschlossen wird, oder dass das Einlassventil jedenfalls so früh geschlossen wird, dass der Druck in dem Brennraum aufgrund gasdynamischer Effekte auch nach Schließen des Einlassventils noch in einem bestimmten Kurbelwinkelbereich unter einem Niveau des
Ladedrucks bleibt, bevor er kompressionsbedingt über den Ladedruck hinaus ansteigt. Aufgrund der wirksamen Gasdynamik ist es möglich, dass dies noch dann der Fall ist, wenn das
Einlassventil genau beim Erreichen des unteren Totpunkts des Kolbens schließt. Dies liegt an der Trägheit der Gasströmung in dem Ladepfad einerseits und in dem Brennraum andererseits.
Daher gilt auch ein Schließen des Einlassventils bei Erreichen des unteren Totpunkts noch als Miller-Steuerzeit. Das Ansteuern des Einlassventils, insbesondere eines Einlassventils mit vollvariablem Ventiltrieb, mit einer Miller-Steuerzeit erlaubt die Ausbildung einer
Druckdifferenz zwischen dem Brennstoffzumischbereich und der Vorkammer, welche ein besonderes effizientes Spülen der Vorkammer mit reinem Brennstoff, insbesondere Brenngas, oder fettem Gemisch aus dem Brennstoffzumischbereich erlaubt. Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Brennkraftmaschine mit Gas betrieben wird. Bevorzugt wird die Brennkraftmaschine mit einem methanhaltigen Gas, insbesondere Erdgas, Deponiegas, Biogas, Sondergas,
Produktgas aus der Holzvergasung, oder einem anderen geeigneten Gas, als Brennstoff betrieben. Insbesondere solche Brennkraftmaschinen werden häufig mit einem stark
abgemagerten Brennstoff- Verbrennungsluft-Gemisch betrieben, wobei sich die Vorteile des Verfahrens in besonderer Weise verwirklichen. Es zeigt sich, dass durch die Brennkraftmaschine und das Verfahren das Verhalten einer gasgespülten Vorkammer mithilfe eines einfachen Rückschlagventils realisiert werden kann. Hierfür wird reines Brenngas oder fettes Gemisch stromabwärts eines Mehrpunkt- Einspritzventils, nämlich des ansteuerbaren Brennstoffventils, durch den Verbindungspfad, in welchem das Rückschlagventil untergebracht ist, in die Vorkammer geführt. Wird eine Miller- Steuerzeit für das wenigstens ein Einlassventil verwirklicht, entsteht eine besonders effektive Druckdifferenz zwischen dem Brennstoffzumischbereich einerseits und der Vorkammer andererseits. Daraufhin öffnet das Rückschlagventil, und die Vorkammer wird mit reinem Brenngas oder fettem Gemisch aus dem Brennstoffzumischbereich gespült. Die Beschreibung der Brennkraftmaschine einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der
Brennkraftmaschine bedingt ist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer bevorzugten
Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels Brennkraftmaschine;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
Brennkraftmaschine, und
Figur 3 eine schematische, diagrammatische Darstellung einer Ausführungsform des
Verfahrens. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1. Diese weist einen Brennraum 3 auf, der unterteilt ist in eine Hauptkammer 5 und eine
Vorkammer 7. Dabei sind die Hauptkammer 5 und die Vorkammer 7 über Bohrungen 9 miteinander in Fluidverbindung. Die Vorkammer 7 dient dabei der sicheren Zündung eines fetteren Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs in dem vergleichsweise kleinen
Vorkammervolumen, wobei Fackelstrahlen über die Bohrungen 9 in die Hauptkammer 5 eintreten, wenn das Gemisch in der Vorkammer 7 gezündet wird, wobei ein in der Hauptkammer 5 vorliegendes, magereres Verbrennungsluft-Brenngas-Gemisch durch die Fackelstrahlen sicher und vollständig entflammt wird. Auf diese Weise ist es insbesondere auch bei großvolumigen Hauptkammern 5 möglich, stark abgemagerte Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemische zu entflammen.
Der Brennraum 3, insbesondere die Hauptkammer 5, ist mit einem Ladepfad 11 fluidverbunden, wobei der Ladepfad 11 eingerichtet ist zur Zuführung eines Verbrennungsluft-Brennstoff- Gemischs durch den Ladepfad 11 in den Brennraum 3, insbesondere in die Hauptkammer 5.
In einem dem Brennraum 3 separat zugeordneten Abschnitt 13 des Ladepfads 11 ist ein
Brennstoffzumischbereich 14, hier eine Brennstoffzumischkammer 15, angeordnet, der einerseits mit dem Ladepfad 11 und andererseits mit einer Brennstoffleitung 17 in Fluidverbindung ist, wobei die Brennstoffleitung 17 eingerichtet ist zur Zuführung von insbesondere reinem
Brennstoff in den Brennstoffzumischbereich 14 über ein ansteuerbares Brennstoffventil 19. Zur Spülung der Vorkammer 7 mit reinem Brennstoff oder mit einem fetten Verbrennungsluft- Brennstoff-Gemisch ist die Vorkammer 7 mit der Brennstoffzumischkammer 15 über ein Rückschlagventil 21 in Fluidverbindung. Es ist so in sehr einfacher Weise möglich, eine gasgespülte Vorkammer 7 zu realisieren. Es bedarf hierfür insbesondere keiner
Zusatzkomponenten, ganz besonders keines separaten Gaskompressors, Gaskühlers und/oder einer separaten Gasversorgung für die Vorkammer 7. Weiterhin ist das Spül verhalten der Vorkammer nicht abhängig von einem Versorgungsdruck in der Brennstoffleitung 17 stromaufwärts des ansteuerbaren Brennstoffventils 19. Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet, wobei in der Hauptkammer 5 des Brennraums 3 ein in Figur 1 nicht dargestellter Kolben verlagerbar aufgenommen ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist vorzugsweise eine Mehrzahl von
Brennräumen 3 auf, insbesondere vier Zylinder, sechs Zylinder, acht Zylinder, zehn Zylinder, zwölf Zylinder, sechzehn Zylinder, achtzehn Zylinder, zwanzig Zylinder oder vierundzwanzig Zylinder. Auch eine kleinere, größere oder andere Anzahl von Zylindern ist möglich. Weiterhin ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 als Reihenmotor, als V-Motor, als W-Motor, oder mit einer anderen Konfiguration der Brennräume 3 ausgebildet ist.
Insbesondere ist für die Brennkraftmaschine 1 eine Mehrpunkteinspritzung vorgesehen, wobei bevorzugt das ansteuerbare Brennstoffventil 19 als Dosierventil für eine Mehrpunkteinspritzung (Multi-Point-Injection - MPI) ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Eindosierung von
Brennstoff in den dem Brennraum 3 separat zugeordneten Abschnitt 13 des Ladepfads 11 stromabwärts einer Abzweigung eines gemeinsamen Ladepfads in separate Saugrohrabschnitte zu den einzelnen Zylindern und somit zylinderindividuell erfolgt. Damit kann jedem Zylinder eine individuell eingestellte Brennstoffmasse durch zylinderindividuelle Ansteuerung der den Zylindern zugeordneten, ansteuerbaren Brennstoffventile 19 zugeführt werden.
Die Brennstoffzumischkammer 15 ist mit dem Ladepfad 11 und insbesondere dem Abschnitt 13 über eine Mehrzahl von Zumischbohrungen 23 fluidverbunden. Dabei ist es möglich, dass Ladeluft aus dem Ladepfad 11 durch die Zumischbohrungen 23 in die
Brennstoffzumischkammer 15 gelangt, sodass in dieser kein reiner Brennstoff, sondern vielmehr ein allerdings sehr fettes Brennstoff- Verbrennungsluft-Gemisch vorliegt. In diesem Fall gelangt bei einer Spülung der Vorkammer 7 dieses fette Gemisch über das Rückschlagventil 21 in die Vorkammer 7.
Es ist ein Verbindungspfad 25 vorgesehen, der an einem ersten Ende 27 von zwei Enden in die Brennstoffzumischkammer 15 mündet, wobei er an einem zweiten Ende 29 der zwei Enden 27, 29 in die Vorkammer 7 mündet. Das Rückschlagventil 21 ist in dem Verbindungspfad 25 angeordnet. Dabei zeigt sich, dass der Verbindungspfad 25 hier teilweise in eine Wandung 31 der Vorkammer 7 integriert ist. Dabei ist insbesondere das Rückschlagventil 21 in die Wandung 31 integriert.
Es zeigt sich auch, dass das Rückschlagventil 21 in eine Schließstellung vorgespannt ist, wobei es derart zwischen dem ersten Ende 27 und dem zweiten Ende 29 in dem Verbindungspfad 25 angeordnet ist, dass ein Druck stromaufwärts des Rückschlagventils 21 auf der Seite des ersten Endes 27 in dem Verbindungspfad 25 das Rückschlagventil 21 tendenziell aus seiner
Schließstellung in eine Offenstellung drängt, wobei ein Druck stromabwärts des
Rückschlagventils 21 auf der Seite des zweiten Endes 29 in dem Verbindungspfad 25 das Rückschlagventil 21 zusätzlich zu der Vorspannkraft in seine Schließstellung beaufschlagt.
Das Rückschlagventil 21 öffnet, wenn der Druck in der Vorkammer 7 kleiner ist als der Druck in der Brennstoffzumischkammer 15, insbesondere wenn ein Differenzdruck zwischen dem Druck in der Brennstoffzumischkammer 15 und dem Druck in der Vorkammer 7 größer ist als ein vorbestimmter Grenz-Differenzdruck, der insbesondere durch die geometrische Ausgestaltung wirksamer Flächen des Rückschlagventils 21 und der Vorspannung desselben in seine
Schließstellung bestimmt ist. Daher kann das Spülverhalten der Vorkammer 7 insbesondere durch geometrische Ausgestaltung des Rückschlagventils 21 sowie Einstellen der Vorspannung desselben eingestellt beziehungsweise abgestimmt werden.
Der Brennraum 3, insbesondere die Hauptkammer 5, ist mit dem Ladepfad 11 über ein
Einlassventil 33 fluidverbunden. Das Einlassventil 33 weist vorzugsweise einen in Figur 1 nicht dargestellten, vollvariablen Ventiltrieb auf, sodass Steuerzeiten für das Einlassventil 33 insbesondere betriebspunktabhängig variiert werden können. Der Brennraum 3, insbesondere die Hauptkammer 5, ist außerdem über ein Auslassventil 35 mit einem Abgaspfad 37 fluidverbunden. Insbesondere über eine Ansteuerung des Einlassventils 33, bevorzugt aber auch über eine Ansteuerung des Auslassventils 35, ist es möglich, die Druckverhältnisse in dem Brennraum 3 insbesondere in Verhältnis zu dem Druck in dem Ladepfad 11 zu beeinflussen und so das Spülverhalten der Vorkammer 7 - insbesondere betriebspunktabhängig - zu beeinflussen.
Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Gasmotor, insbesondere als Magergasmotor ausgebildet. Dabei wird ein Brenngas, vorzugsweise ein methanhaltiges Brenngas, als Brennstoff verwendet. . Es zeigt sich noch, dass in der Vorkammer 7 eine Zündeinrichtung 39 zur Zündung des
Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemischs angeordnet ist. Dabei kann es sich beispielsweise um eine elektrische Funkenzündkerze, einer Korona-Zündkerze, eine Laser-Zündkerze oder eine andere geeignete Zündkerze oder Zündeinrichtung handeln. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer
Brennkraftmaschine 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist insbesondere vorgesehen, dass die Brennstoffleitung 17 stromabwärts des ansteuerbaren Brennstoffventils 19, als auf der Niederdruckseite der Einrichtung zur
Mehrpunkteinspritzung, in den Verbindungspfad 25 mündet. Dies stellt eine besonders einfache Ausgestaltung der Brennkraftmaschine 1 dar, weil der Verbindungspfad 25 auf diese Weise zumindest bereichsweise zwei Funktionen aufweisen kann, nämlich zum einen die Zuführung von reinem Brennstoff über die Brennstoffleitung 17 und letztlich das erste Ende 27 in den Brennstoffzumischbereich 14, und zum anderen die Zuführung von reinem Brennstoff oder einem fetten Verbrennungs-Brennluft-Gemisch aus dem Brennstoffzumischbereich 14 über den Verbindungspfad 25 und das Rückschlagventil 21 in die Vorkammer 7, wie bereits zuvor erläutert. Es bedarf in diesem Fall nur einer Bohrung oder Öffnung - abgesehen von den
Zumischbohrungen 23 - , nämlich des ersten Endes 27 des Verbindungspfad 25, durch welches einerseits dem Brennstoffzumischbereich 14 reiner Brennstoff zugeführt werden kann, und durch welches andererseits reiner Brennstoff oder fettes Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch aus dem Brennstoffzumischbereich 14 in die Vorkammer 7 strömen kann. Dies vereinfacht die Ausgestaltung des Brennstoffzumischbereichs 14 und insbesondere der Brennstoffzumischkammer 15, wobei insbesondere Herstellungs- oder Fertigungsschritte zur Einbringung einer weiteren Bohrung oder zum Vorsehen einer weiteren Leitung entfallen können. Fig. 3 zeigt eine schematische, diagrammatische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens. Dabei zeigt Figur 3a) eine Auftragung eines Drucks p gegen einen Kurbelwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 in Grad Kurbelwinkel (°KW). Als durchgezogene, erste Kurve Kl ist hier der Druckverlauf in dem Brennraum 3, insbesondere in der Hauptkammer 5, dargestellt, wobei der Druck in der Hauptkammer 5 im Wesentlichen dem Druck in der Vorkammer 7 entspricht. Als zweite, punktierte Kurve K2 ist ein Ladedruck dargestellt, der in dem Ladepfad 11 und insbesondere in dem dem Brennraum 3 separat zugeordneten Abschnitt 13 herrscht. Dabei zeigt sich, dass der Ladedruck im Wesentlichen konstant ist und insbesondere nur wenig abhängig von dem momentanen Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine 1 variiert. Als dritte, gestrichelte Kurve K3 ist eine Steuerkurve für das Auslassventil 35 dargestellt. Als vierte, strichpunktierte Kurve K4 ist eine Steuerkurve für das Einlassventil 33 dargestellt.
Betrachtet man die erste durchgezogene Kurve Kl des Zylinderdrucks, so zeigt sich, dass während eines Expansionstakts des Zylinders und insbesondere zu dem Zeitpunkt, zudem das Auslassventil 35 öffnet, der Zylinderdruck abfällt, bis er schließlich unter das Niveau des punktiert dargestellten Ladedrucks der zweiten Kurve K2 fällt. Wird das Auslassventil 35 wieder geschlossen, steigt der Druck wiederum an, insbesondere über das Niveau des Ladedrucks. Ein erster, gestrichelter Flächenbereich Fl zeigt eine Fläche in einem Bereich zwischen der ersten durchgezogenen Kurve Kl des Zylinderdrucks und der zweiten punktierten Kurve K2 des Ladedrucks, in welchem der Zylinderdruck kleiner ist als der Ladedruck. Es herrscht hier also ein positives Spülgefälle, wobei es hierdurch einem ersten Spülvorgang kommt. Das
Rückschlagventil 21 öffnet also, und es wird Brennstoff oder ein fettes Gemisch aus der
Brennstoffzumischkammer 15 in die Vorkammer 7 geleitet. Allerdings ist die in dem ersten Flächenbereich Fl in die Vorkammer 7 gespülte Brennstoffmasse im Vergleich zu der insgesamt gespülten Masse gering, sodass es hier bevorzugt nicht zu einem Überströmen in die
Hauptkammer 5 kommt. Der erste Flächenbereich Fl kann auch entfallen. Insbesondere ist es möglich, wenigstens einen Parameter ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Abgasgegendruck, einer geometrischen Ausgestaltung wirksamer Flächen des Rückschlagventils 21, der Vorspannung desselben, und einer Ansteuerung des Einlassventils 33 und/oder des Auslassventils 35, oder einer Mehrzahl der genannten Parameter und/oder anderer oder zusätzlicher Parameter, so zu wählen, dass der Zylinderdruck in dem Kurbel winkelbereich des in Figur 3 a) dargestellten, ersten Flächenbereichs Fl nicht unter das Niveau des Ladedrucks sinkt oder jedenfalls nur in solchem Umfang, dass das Rückschlagventil 21 nicht öffnet. Eine solche Ausgestaltung kann Vorteile aufweisen. Insbesondere kann so verhindert werden, dass unverbrannter Brennstoff durch das geöffnete Auslassventil 35 strömt, wodurch gegebenenfalls Kohlenwasserstoff- Emissionen der Brennkraftmaschine 1 - möglicherweise in unzulässiger Weise - erhöht werden könnten. Weiterhin besteht aufgrund des noch relativ heißen Brennraums in dem
Kurbel winkelbereich des in Figur 3 a) dargestellten, ersten Flächenbereichs Fl die Gefahr einer Selbstzündung des eingebrachten Brennstoffs, die durch Vermeidung der Ausbildung dieses Flächenbereichs Fl verhindert werden kann.
Wie sich anhand der gestrichelten Steuerkurve K3 des Auslassventils 35 und der
strichpunktierten Steuerkurve K4 des Einlassventils 33 zeigt, öffnet das Einlassventil 33 bereits, während das Auslassventil 35 noch in seiner Schließbewegung begriffen ist, es ergibt sich also eine Überlappung zwischen der Öffnung des Auslassventils 35 und des Einlassventils 33. Der Kolben erreicht einen oberen Totpunkt bei 360 °KW, wobei sich hieran zu größeren
Kurbelwinkeln ein Saugtakt des Kolbens, also eine Abwärtsbewegung in dem Brennraum 3, anschließt. Daher sinkt hier nun wiederum der Druck in dem Brennraum 3 unter den punktiert dargestellten Ladedruck der zweiten Kurve K2, was durch einen zweiten gestrichelten
Flächenbereich F2 angedeutet ist. Die strichpunktierte Steuerkurve des Einlassventils 33 zeigt, dass dieses bei 540 °KW schließt, nämlich dann, wenn der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht. Dies entspricht einer Miller-Steuerzeit, wobei aufgrund der Trägheit der Gasströmung eine Druckdifferenz im Sinne eines positiven Spülgefälles zwischen dem Ladedruck in der Brennstoffzumischkammer 15 und dem Druck in dem Brennraum 3 anhält, sodass sich der Spülvorgang über das Schließen des Einlassventils 33 hinaus fortsetzt. Es bedarf also einer gewissen Kompression durch Aufwärtsbewegung des Kolbens, bis der Druck in dem Brennraum 3 und auch in der Vorkammer 7 wieder über das Niveau des Ladedrucks und damit über das Niveau des Drucks in der Brennstoffzumischkammer 15 steigt, wobei dann im rechts in dem Diagramm letzten Schnittpunkt der durchgezogenen Kurve Kl des Zylinderdrucks mit der punktierten Kurve K2 des Ladedrucks der Spülvorgang endet. Während der Öffnung des Einlassventils 33 und noch nach dessen Schließen findet ein dominanter Brennstoff-Spülvorgang statt, es wird hier also die Hauptmenge an Brennstoff oder fettem Gemisch in die Vorkammer 7 eingebracht. Dabei schließt das Rückschlagventil 21 stets dann, wenn der Druck in der
Vorkammer 7, also insbesondere der Zylinderdruck, größer ist als der Ladedruck und somit der Druck in der Brennstoffzumischkammer 15. Figur 3b) zeigt einen Massenstrom rh aufgetragen gegen den Kurbelwinkel. Dabei sind der erste Spülvorgang im Bereich des in Figur 3a) dargestellten, ersten Flächenbereichs Fl und der zweite Spülvorgang im Bereich des in Figur 3 a) dargestellten, zweiten Flächenbereichs F2 zu erkennen. Dabei zeigt sich auch, dass die Hauptmenge an Brennstoff während des zweiten Spül vorgangs in die Vorkammer 7 eingebracht wird. Dabei erfolgt die Spülung insbesondere aufgrund der Druckverluste in den Einlassorganen, wobei hierdurch der Druck im Zylinder unterhalb des Ladedruckniveaus liegt.
Zur Verwirklichung des Verfahrens ist es nicht zwingend erforderlich, dass das Einlassventil 33 mit einer Miller-Steuerzeit angesteuert wird. Vielmehr kann das Verfahren auch mit anderen Steuerzeiten sinnvoll durchgeführt werden. Eine Miller-Steuerzeit erhöht allerdings die Effizienz des Verfahrens und verbessert die Spülung der Vorkammer 7.
Insgesamt zeigt sich insbesondere, dass durch die Brennkraftmaschine 1 und das Verfahren eine Realisierung einer gasgespülten Vorkammer 7 mithilfe eines einfachen Rückschlagventils 21 ermöglicht wird. Dabei wird eine Druckdifferenz zwischen dem Ladedruck und somit dem
Druck in dem Brennstoffzumischbereich 14 stromabwärts eines ansteuerbaren Brennstoffventils 19 und dem Druck in dem Brennraum 3 einschließlich der Vorkammer 7 ausgenutzt, um eine Öffnung des Rückschlagventils 21 zu bewirken und die Vorkammer 7 mit reinem Brennstoff oder einem fetten Gemisch aus Verbrennungsluft und Brennstoff zu spülen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Brennkraftmaschine (1), mit - wenigstens einem Brennraum (3), der eine Hauptkammer (5) und eine Vorkammer (7) aufweist, wobei die Vorkammer (7) über wenigstens eine Bohrung (9) mit der
Hauptkammer (5) in Fluidverbindung ist, wobei der wenigstens eine Brennraum (3) mit einem Ladepfad (11) zur Zuführung von einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch durch den Ladepfad (11) in den Brennraum (3) verbunden ist, wobei in einem dem Brennraum (3) separat zugeordneten Abschnitt (13) des Ladepfads (11) ein Brennstoffzumischbereich (14) angeordnet ist, der einerseits mit dem Ladepfad (11) und andererseits mit einer Brennstoffleitung (17) zur Zuführung von Brennstoff in den Brennstoffzumischbereich (14) über ein ansteuerbares Brennstoffventil (19) in
Fluidverbindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (7) und der Brennstoffzumischbereich (14) über ein Rückschlagventil (21) miteinander in Fluidverbindung sind.
2. Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnete durch einen
Verbindungspfad (25), der an einem ersten Ende (27) von zwei Enden (27,29) in den
Brennstoffzumischbereich (14) und an einem zweiten Ende (29) der zwei Enden (27,29) in die Vorkammer (7) mündet, wobei das Rückschlagventil (21) in dem Verbindungspfad (25) angeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum (3) mit dem Ladepfad (11) über wenigstens ein vorzugsweise variabel ansteuerbares Einlassventil (33) fluidverbunden ist.
4. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuerbare Brennstoffventil (19) als Dosierventil zur
Mehrpunkteinspritzung ausgebildet ist.
5. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffleitung (17) in den Verbindungspfad (25) mündet.
6. Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (1) als Gasmotor, vorzugweise als
Magergasmotor, ausgebildet ist.
7. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (1), wobei wenigstens einem in eine Hauptkammer (5) und eine Vorkammer (7) unterteilten Brennraum (3) in einem Ansaugtakt ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch über einen Ladepfad (11) zugeführt wird, wobei das Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch in einem dem Brennraum (3) separat zugeordneten Abschnitt (13) des Ladepfads (11) erzeugt wird, indem einem in dem separaten Abschnitt (13) angeordneten Brennstoffzumischbereich (14) Brennstoff durch eine Brennstoffleitung (17) über ein ansteuerbares Brennstoffventil (19) zugeführt wird, wobei
Brennstoff aus dem Brennstoffzumischbereich (14) direkt in die Vorkammer (7) geführt wird, wenn der Druck in der Vorkammer (7) kleiner ist als der Druck in dem
Brennstoffzumischbereich (14).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff aus dem
Brennstoffzumischbereich (14) direkt in die Vorkammer (7) geführt wird, wenn ein
Differenzdruck zwischen einem Druck in dem Brennstoffzumischbereich (14) und dem Druck in der Vorkammer (7) einen vorbestimmten Wert überschreitet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlassventil (33), welches die Hauptkammer (5) mit dem Ladepfad (11) verbindet, mit einer Miller- Steuerzeit angesteuert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennkraftmaschine (1) mit Gas, insbesondere mit einem methanhaltigen Gas als Brennstoff betrieben wird.
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