DE102005039713A1

DE102005039713A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Spülung des Vorbrennraumes einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102005039713A1
Application number: DE102005039713A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Liebsch
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-08-18
Also published as: DE102005039713B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Spülung des Vorbrennraumes einer Verbrennungskraftmaschine, welche einen Vorbrennraum (1) und einen Hauptbrennraum (2) umfasst, wobei der Vorbrennraum (1) und der Hauptbrennraum (2) über mindestens einen Strömungskanal (3) miteinander in Strömungsverbindung stehen. Der Hauptbrennraum (2) steht über mindestens ein Strömungsventil (4) mit der Ansaugleitung (5) und über mindestens ein Strömungsventil (6) mit der Abgasleitung (7) in Strömungsverbindung, wobei die Strömungsventile (4) und (6) mit Mitteln zur Ventilbetätigung (8) in Verbindung stehen. Der Vorbrennraum (1) ist mit der Ansaugleitung (5) über einen Strömungskanal (12) und mit der Abgasleitung (7) über einen Strömungskanal (9) verbunden, wobei entweder der Strömungskanal (9) mit einem Strömungsventil (10) und der Strömungskanal (12) mit einem Strömungsventil (10') in Strömungsverbindung steht oder der Strömungskanal (9) und der Strömungskanal (12) mit einem gemeinsamen Strömungsventil (10'') in Strömungsverbindung stehen. Die Strömungsventile (10), (10') und (10'') sind mit Mitteln zu deren Steuerung und Regelung verbunden, welche über geeignete Stellglieder die Strömungsventile öffnen oder schließen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Spülung des Vorbrennraumes einer Verbrennungskraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Die einzelnen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine verfügen allgemein über einen Hauptbrennraum, der durch das räumliche Zusammenwirken einer Zylinderbuchse, eines Kolbens und eines Zylinderkopfes gebildet wird. Entsprechend den ständigen Bemühungen der Betreiber, die Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit von Verbrennungskraftmaschinen zu erhöhen, wurden weiterhin Verbrennungskraftmaschinen mit einem Vor- und einem Hauptbrennraum entwickelt, die in Strömungsverbindung miteinander stehen. Bei dem Betrieb einer solchen Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise gemäß dem Otto-Verfahren, besteht die Möglichkeit, in dem Vor- und dem Hauptbrennraum unterschiedliche Kraftstoff-Luft-Gemische einzustellen. Vorzugsweise wird dabei in dem Vorbrennraum ein nahezu stöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch und in dem Hauptbrennraum ein überstöchiometrisches Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt. Infolge der Entflammung des nahezu stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Vorbrennraum, mittels einer geeigneten Zündvorrichtung, treten Anteile des entflammten, nahezu stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Strömungsverbindung zwischen Vor- und Hauptbrennraum vom Vor- in den Hauptbrennraum über und entflammen wiederum das in dem Hauptbrennraum befindliche überstöchiometrische Kraftstoff-Luft-Gemisch. Anteile von Verbrennungsgasen der vorherigen Arbeitsspiele in dem Vorbrennraum führen jedoch trotz einer korrekten Versorgung des Vorbrennraumes mit nahezu stöchiometrischem Kraftstoff-Luft-Gemisch zu einer Verschlechterung der Entflammungsbedingungen in dem Vorbrennraum. Der Anteil und die räumliche Verteilung des Anteils von Verbrennungsgasen der vorherigen Arbeitsspiele in dem Vorbrennraum sind zudem von Arbeitsspiel zu Arbeitsspiel unterschiedlich, so dass im Extremfall, infolge eines zu hohen Anteils oder einer ungünstigen räumlichen Verteilung des Anteils von Verbrennungsgasen der vorherigen Arbeitsspiele in dem Vorbrennraum, keine Ent flammung des nahezu stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisches in dem Vorbrennraum möglich ist. Für den sicheren Betrieb einer auf die oben beschriebene Weise betriebenen Verbrennungskraftmaschine ist daher neben einer korrekten Versorgung des Vorbrennraumes mit nahezu stöchiometrischem Kraftstoff-Luft-Gemisch eine möglichst vollständige Entfernung der Verbrennungsgase der vorherigen Arbeitsspiele aus dem Vorbrennraum von großer Bedeutung.

Vorbekannt aus der EP 1 404 951 B1 ist eine Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben dieser Verbrennungskraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet sind, dass ein in seiner Zusammensetzung einstellbares Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Vorbrennraum der Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird einem Gasmischer, der in der Ansaugleitung der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, über eine Entnahmesonde entnommen und über einen Kanal dem Vorbrennraum zugeführt. Die Einstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt über eine Verstellung der Position einer Entnahmesonde in Bezug auf den Gasstrom in dem Gasmischer. Es wird weiterhin beschrieben, dass ebenfalls ein Durchspülen des Vorbrennraumes zum Zweck der Entfernung von Verbrennungsgasen aus dem Vorbrennraum mit einem Spülgas möglich ist. Dabei kann das Spülgas der unveränderte Kraftstoff oder nur Luft sein. Es ist weiterhin ein Ventil im Kanal zwischen dem Gasmischer und dem Vorbrennraum angeordnet. Mit diesem Ventil kann u. a. die dem Vorbrennraum zugeführte Menge an Kraftstoff-Luft-Gemisch gesteuert werden.

Dem oben genannten Dokument ist nicht zu entnehmen, zu welchem Zeitpunkt und für welche Zeitdauer oder, bezogen auf den Kurbelwinkel, ab welchem Kurbelwinkel und für welchen Kurbelwinkelbereich eine Ansteuerung des Ventils im Kanal zwischen Gasmischer und Vorbrennraum zum Zweck des Durchspülens des Vorbrennraumes in Bezug auf die aufeinanderfolgenden Verfahrenstakte der Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Eine Einbringung des Spülgases in den Vorbrennraum ist offensichtlich lediglich auf einen Zeit- oder Kurbelwinkelbereich während des Ansaughubes bei geöffnetem Ventil im Kanal zwischen Gasmischer und Vorbrennraum beschränkt. Allein während des Ansaughubes ist ein ausreichendes Druckgefälle zwischen der Ansaugleitung und dem Vorbrennraum zur Einbringung des Spülgases in den Vorbrennraum der Verbrennungskraftmaschine zu erwarten.

Weiterhin vorbekannt aus der DE 29 24 926 C2 ist eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Vor- und einem Hauptbrennraum, wobei der Vorbrennraum und die Abgasleitung über eine Abgasrückführleitung verbunden sind. In der Abgasrückführleitung ist ein elektromagnetisch betätigtes Ventil angeordnet. Es ist diesem Dokument zu entnehmen, dass eine Ansteuerung des elektromagnetisch betätigten Ventils u. a. in Abhängigkeit eines elektrischen Signals von einer den Drehwinkel der Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine erfassenden Vorrichtung erfolgen kann. D. h. der Zeitpunkt und die Zeitdauer oder, bezogen auf den Kurbelwinkel, der Startkurbelwinkel und der Kurbelwinkelbereich, wo eine Ansteuerung des elektromagnetisch betätigten Ventils erfolgt, kann definiert werden. Zur Rückführung von Abgas von der Abgasleitung in den Vorbrennraum der Verbrennungskraftmaschine wird das elektromagnetisch betätigte Ventil bevorzugt zwischen der Beendigung des Ansaughubes und dem Beginn des Kompressionshubes geöffnet, so dass Abgas in den Vorbrennraum der Verbrennungskraftmaschine strömen kann. Weiterhin ist in der Ansaugleitung der Verbrennungskraftmaschine ein verstellbares Drosselventil vorgesehen. Dieses Drosselventil dient der Erzeugung eines Druckgefälles zwischen der Ansaug- und der Abgasleitung. Dieses Druckgefälle ermöglicht ein Einströmen von Abgas in den Vorbrennraum der Verbrennungskraftmaschine. In einer weiteren Ausführung ist außerdem eine Pumpe vorgesehen, welche ein Einströmen von Abgas in den Vorbrennraum der Verbrennungskraftmaschine unter allen Bedingungen sicherstellt.

Der Gegenstand der DE 29 24 926 C2 dient nicht dem Ziel, Verbrennungsgase aus dem Vorbrennraum einer Verbrennungskraftmaschine zu entfernen, sondern gegebenenfalls mittels einer Pumpe unter Druck gesetzte Verbrennungsgase in den Vorbrennraum einer Verbrennungskraftmaschine einzubringen. Es wird die prinzipielle Möglichkeit einer Verbindung des Vorbrennraumes mit der Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer Abgasrückführleitung aufgezeigt. Weiterhin wird beschrieben, dass die Ansteuerung eines elektromagnetisch betätigten Ventils, welches in der Abgasrückführleitung angeordnet ist, u. a. mittels eines elektrischen Signals von einer den Drehwinkel der Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine erfassenden Vorrichtung in Abhängigkeit des Drehwinkels der Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine erfolgen kann.

Vorbekannt aus der DE 100 06 016 A1 ist ein Ventiltrieb zur Laststeuerung einer Verbrennungskraftmaschine. Mit diesem Ventiltrieb kann sowohl die Dauer der Öffnung eines Einlassventils einer Verbrennungskraftmaschine als auch die Höhe des Einlassventilhubes stufenlos eingestellt werden. Außerdem kann der Zeitpunkt des Öffnens des Einlassventils in Richtung spät verschoben werden. Dazu ist die Nockenwelle mit einer Vorrichtung zu ihrer Relativverdrehung versehen.

Weiterhin vorbekannt aus der EP 0 515 520 B2 ist eine Ventilsteuervorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, welche eine Einstellung der Höhe des Einlassventilhubes in zwei Stufen ermöglicht. Dazu wirken die Ventile zusammen mit Schaltelementen und unterschiedlichen Nocken einer Nockenwelle.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Spülung des Vorbrennraumes einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, die eine möglichst vollständige Entfernung der Verbrennungsgase der vorherigen Arbeitsspiele aus dem Vorbrennraum einer Verbrennungskraftmaschine unter Ausnutzung eines möglichst großen zeitlichen Bereiches in Bezug auf die aufeinanderfolgenden Verfahrenstakte der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht, ohne dabei aufwendige Mittel zur Druckerzeugung des jeweiligen Spülmediums bereitstellen zu müssen.

Lösung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 13 gelöst, wobei weitere vorteilhafte Ausgestaltungen in den Unteransprüchen beschrieben sind.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Spülung des Vorbrennraumes einer Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, bei welcher der Vorbrennraum mit der Ansaugleitung über einen Strömungskanal und der Vorbrennraum mit der Abgasleitung über einen weiteren Strömungskanal in Strömungsverbindung steht. Dabei stehen die Strömungskanäle jeweils mit einem Strömungsventil in Strömungsverbin dung. Die Strömungsventile sind außerdem jeweils mit Mitteln zur Steuerung und Regelung verbunden, welche diese öffnen oder schließen. Die Mittel zur Steuerung und Regelung umfassen wiederum Mittel zur Erfassung des Drehwinkels der Kurbel- und/oder der Nockenwelle. Durch die geeignete Verknüpfung der Mittel zur Steuerung und Regelung und der Mittel zur Erfassung des Drehwinkels der Kurbel- und/oder der Nockenwelle sind beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine die jeweilige Stellung der Kurbel- und Nockenwelle, die Stellung des Kolbens und die Zeitpunkte oder die Kurbelwinkel des Öffnens und Schließens der Einlass- und Auslassventile, welche den Hauptbrennraum und die Ansaug- und Abgasleitung voneinander abgrenzen, jederzeit bestimmbar. Es ist möglich, in Abhängigkeit der jeweiligen Stellung der Kurbel- und Nockenwelle, des Kolbens sowie der Zeitpunkte oder der Kurbelwinkel des Öffnens und Schließens der Einlass- und Auslassventile die jeweiligen Strömungsventile in dem jeweiligen Strömungskanal zwischen Ansaug-, Abgasleitung und Vorbrennraum zu öffnen und zu schließen. Die Mittel zur Steuerung und Regelung der Strömungsventile im jeweiligen Strömungskanal zwischen Ansaug-, Abgasleitung und Vorbrennraum erzeugen ein dafür geeignetes Ansteuersignal, welches von den entsprechenden Stellgliedern umgesetzt ein Öffnen bzw. Schließen der Strömungsventile zur Folge hat.

Von besonderem Vorteil ist es, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung der zeitliche Bereich zur Spülung des Vorbrennraumes nicht auf den Zeitbereich während des Ansaughubes beschränkt ist. Dadurch, dass der Vorbrennraum mit der Ansaugleitung über einen Strömungskanal und der Vorbrennraum mit der Abgasleitung über einen weiteren Strömungskanal in Strömungsverbindung steht, kann sowohl während des Ansaughubes als auch während des Kompressionshubes einer Viertakt-Verbrennungskraftmaschine eine Spülung des Vorbrennraumes durchgeführt werden. D. h. es ist von Vorteil, dass der Vorbrennraum sowohl mit der Ansaugleitung als auch mit der Abgasleitung in Strömungsverbindung steht, da zur Spülung des Vorbrennraumes das jeweilige Strömungsventil in Bezug auf die aufeinanderfolgenden Verfahrenstakte der Verbrennungskraftmaschine geöffnet und geschlossen werden kann. Auf diese Weise wird besonders gezielt und vollständig eine Entfernung der Verbrennungsgase der vorherigen Arbeitsspiele aus dem Vorbrennraum einer Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.

Gemäß den aufeinanderfolgenden Verfahrenstakten einer Viertakt-Verbrennungskraftmaschine erstreckt sich der Ansaughub über einen Kurbelwinkelbereich nach Beendigung des Auslasshubes zwischen dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels und dem unteren Totpunkt des Ladungswechsels, wobei der untere Totpunkt des Ladungswechsels 180 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt des Ladungswechsels beendet ist. Nach dem unteren Totpunkt des Ladungswechsels schließt sich über die weiterhin folgenden 180 Grad Kurbelwinkel nach dem unteren Totpunkt des Ladungswechsels der Kompressionshub an, wobei der Kompressionshub im dem oberen Totpunkt beendet ist, in dessen Bereich allgemein eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt. Dem Kompressionshub folgt über die weiteren 180 Grad Kurbelwinkel der Expansions- oder Arbeitshub. Dem Expansions- oder Arbeitshub schließt sich über die weiteren 180 Grad Kurbelwinkel der Auslasshub an, wobei der Auslasshub am oberen Totpunkt des Ladungswechsels endet, wo der Ansaughub erneut beginnt.

Es ist erfindungsgemäß vorteilhaft vorgesehen, dass die Strömungsventile, die mit den Strömungskanälen zwischen dem Vorbrennraum, der Abgas- und der Ansaugleitung in Strömungsverbindung stehen, elektromagnetisch betätigte Ventile sind, die mindestens die Schaltstellung „Schließen" des jeweiligen Strömungskanals und die Schaltstellung „Öffnen" des jeweiligen Strömungskanals umfassen. Die Strömungsventile können jedoch ebenfalls von der Bauart sein, dass die Strömungsventile zum Zweck einer weiter differenzierten Spülung des Vorbrennraumes den Querschnitt des jeweiligen Strömungskanals kontinuierlich freigeben oder verschließen.

Es ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführung vorgesehen, dass die Strömungskanäle zwischen dem Vorbrennraum, der Abgas- und der Ansaugleitung auf der dem Vorbrennraum zugewandten Seite einen gemeinsamen Strömungskanal bilden. Bei dieser Ausführungsform ist zunächst jeweils ein Strömungskanal zwischen Abgas- und Ansaugleitung vorgesehen, wobei die Strömungskanäle in ihrem Verlauf zum Vorbrennraum mit einem gemeinsamen Strömungsventil in Strömungsverbindung stehen. Der weitere Verlauf nach dem gemeinsamen Strömungsventil zum Vorbrennraum erfolgt über einen gemeinsamen Strömungskanal. Das gemeinsame Strömungsventil ist vorzugsweise ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, das mindestens die Schaltstellung „Schließen" beider Strömungskanäle, die Schaltstellung „Öff nen" des einen Strömungskanals bei geschlossenem anderen Strömungskanal, die Schaltstellung „Schließen" des einen Strömungskanals bei geöffnetem anderen Strömungskanal sowie „Öffnen" beider Strömungskanäle umfasst.

In Kombination mit einem Ventiltrieb einer Verbrennungskraftmaschine, bei dem die Dauer der Öffnung eines Einlassventils und die Höhe des Einlassventilhubes eingestellt sowie auch der Zeitpunkt des Öffnens des Einlassventils in Richtung spät verschoben werden kann oder einer Vorrichtung zur Einstellung der Höhe des Einlassventilhubes in Stufen, ergeben sich in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders vorteilhafte Verfahrensvarianten zur Spülung des Vorbrennraumes einer Verbrennungskraftmaschine. So ist es möglich, dass der Strömungskanal, welcher die Ansaugleitung und den Vorbrennraum miteinander verbindet, während des Ansaughubes, jedoch vor dem Öffnen des mindestens einen Einlassventils geöffnet wird. Durch die Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt des Ladungswechsels zum unteren Totpunkt des Ladungswechsels vergrößert sich das Volumen des Hauptbrennraumes, infolgedessen der Druck in dem Haupt- und dem Vorbrennraum sinkt. Sowohl das mindestens eine Einlass- als auch das mindestens eine Auslassventil im Hauptbrennraum bleibt zunächst geschlossen. Dadurch, dass das Strömungsventil in dem Strömungskanal frühestens mit Beginn der Abwärtsbewegung des Kolbens zu Beginn des Ansaughubes wenigstens teilweise geöffnet wird und die Einfass- und Auslassventile zunächst geschlossen bleiben, wird ein erster Anteil Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der Ansaugleitung in den Vorbrennraum eingesaugt, wobei die Frischluft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch die Verbrennungsgase der vorherigen Arbeitsspiele aus dem Vorbrennraum in den Hauptbrennraum verdrängen. Im weiteren Verlauf des Ansaughubes wird das mindestens eine Einlassventil geöffnet, so dass ein weiterer Anteil an Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der Ansaugleitung in den Hauptbrennraum eingesaugt wird, welcher sich mit dem Anteil an Verbrennungsgasen der vorherigen Arbeitsspiele aus dem Vorbrennraum vermischt bzw. diese verdünnt und somit örtliche Konzentrationen von Verbrennungsgasen der vorherigen Arbeitsspiele in Hinblick auf die folgenden Verfahrenstakte verhindert.

Es ist ebenfalls denkbar, auf die oben beschriebene Weise den Einlassventilhub und die Dauer des Einlassventilhubes beispielsweise auf ein Minimum zu reduzieren und die für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in dem individuellen Betriebspunkt erforderliche Luftmenge bzw. Menge an Kraftstoff-Luft-Gemisch hauptsächlich über den Strömungskanal in den Vor- und somit in den Hauptbrennraum einzubringen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es unwesentlich, auf welche Entscheidungsgrundlage sich eine Aufteilung der jeweiligen Teilströme stützt. Ein derartiges Verfahren ist bevorzugt beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine an einem Betriebspunkt bei Teillast anwendbar.

Es ist auch möglich, dass der Strömungskanal, welcher die Ansaugleitung und den Vorbrennraum miteinander verbindet, während des Ansaughubes, jedoch nach dem Öffnen des mindestens einen Einlassventils im Hauptbrennraum geöffnet wird. Durch die Bewegung des Kolbens vom oberen Totpunkt des Ladungswechsels zum unteren Totpunkt des Ladungswechsels vergrößert sich das Volumen des Hauptbrennraumes, infolgedessen der Druck in dem Haupt- und dem Vorbrennraum sinkt. Dadurch, dass das Strömungsventil in dem Strömungskanal mit Beginn der Abwärtsbewegung des Kolbens zu Beginn des Ansaughubes zunächst geschlossen bleibt und das mindestens eine Einlassventil im Hauptbrennraum geöffnet wird, strömt ein erster Anteil an Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der Ansaugleitung in den Hauptbrennraum. Im weiteren Verlauf des Ansaughubes wird das mindestens eine Einlassventil im Hauptbrennraum geschlossen und das Strömungsventil in dem Strömungskanal geöffnet, so dass ein weiterer Anteil an Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der Ansaugleitung in den Vorbrennraum eingesaugt wird, wobei die Frischluft oder das Kraftstoff-Luft-Gemisch die Verbrennungsgase der vorherigen Arbeitsspiele aus dem Vorbrennraum in den Hauptbrennraum verdrängen. In dem Hauptbrennraum vermischt sich der Anteil an Verbrennungsgasen der vorherigen Arbeitsspiele aus dem Vorbrennraum mit dem ersten Anteil an Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch bzw. wird der Anteil an Verbrennungsgasen der vorherigen Arbeitsspiele verdünnt und somit örtliche Konzentrationen von Verbrennungsgasen der vorherigen Arbeitsspiele in Hinblick auf die folgenden Verfahrenstakte verhindert.

Besonders vorteilhaft ist eine Kombination zweier Öffnungen des Strömungsventils in dem Strömungskanal mit einer wenigstens teilweisen Öffnung des mindestens einen Einlassventils in dem Hauptbrennraum während des Ansaughubes. Dabei erfolgt ein erstes Öffnen des Strömungsventils in dem Strömungskanal vor und ein weiteres Öffnen nach der wenigstens teilweisen Öffnung des mindestens einen Einlassventils in dem Hauptbrennraum während des Ansaughubes. Überlappungen des Öffnens des Strömungsventils in dem Strömungskanal und des mindestens einen Einlassventils in dem Hauptbrennraum während des Ansaughubes sind erfindungsgemäß ebenfalls denkbar.

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführung wird der Strömungskanal, welcher den Vorbrennraum und die Abgasleitung miteinander verbindet, während des Kompressionshubes, nach erfolgtem Ansaugen von Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Hauptbrennraum, geöffnet, wobei das mindestens eine Einlass- und das mindestens eine Auslassventil im Hauptbrennraum entweder noch geöffnet oder schon geschlossen ist. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt des Ladungswechsels zu Beginn des Kompressionshubes zum oberen Totpunkt, in dessen Bereich allgemein eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, wird das Volumen des Hauptbrennraumes verkleinert, infolgedessen der Druck in dem Haupt- und dem Vorbrennraum steigt. Durch das Öffnen des Strömungskanals, welcher den Vorbrennraum und die Abgasleitung miteinander verbindet, wird der Anteil der Verbrennungsgase der vorherigen Arbeitsspiele aus dem Vorbrennraum in die Abgasleitung geschoben. Hierbei kann der Beginn und die Dauer der Öffnung des Strömungskanals, welcher den Vorbrennraum und die Abgasleitung miteinander verbindet, derart gewählt werden, dass sich sowohl eine optimale Spülung des Vorbrennraumes, als auch ein möglichst geringer Verlust an Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch einstellt.

Es ist ebenfalls möglich, sowohl den Strömungskanal, welcher den Vorbrennraum und die Ansaugleitung miteinander verbindet, als auch den Strömungskanal, welcher den Vorbrennraum und die Abgasleitung miteinander verbindet während des Kompressionshubes, nach erfolgtem Ansaugen von Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch über das mindestens eine Einlassventil in den Hauptbrennraum zu öffnen, wobei das mindestens eine Einlass- und das mindestens eine Auslassventil im Hauptbrennraum entweder noch geöffnet oder schon geschlossen ist. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt des Ladungswechsels zu Beginn des Kompressionshubes zum oberen Totpunkt, in dessen Bereich allgemein eine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, wird das Volumen des Haupt brennraumes verkleinert, infolgedessen der Druck in dem Haupt- und dem Vorbrennraum steigt. Durch das Öffnen sowohl des Strömungskanals, welcher den Vorbrennraum und die Ansaugleitung miteinander verbindet, als auch des Strömungskanals, welcher den Vorbrennraum und die Abgasleitung miteinander verbindet, wird der Anteil der Verbrennungsgase der vorherigen Arbeitsspiele aus dem Vorbrennraum in die Ansaug- und die Abgasleitung geschoben. Hierbei kann der Beginn und die Dauer der Öffnung der Strömungskanäle derart gewählt werden, dass sich sowohl eine optimale Spülung des Vorbrennraumes, als auch ein möglichst geringer Verlust an Frischluft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch einstellt. Der Anteil an Verbrennungsgasen der vorherigen Arbeitsspiele aus dem Vorbrennraum, welcher in die Ansaugleitung geschoben wird, wird idealerweise bei dem nächsten Ansaughub bei geöffnetem Einlassventil in den Hauptbrennraum eingesaugt.

Eine Einstellung des Beginns und der Dauer der Öffnung der Strömungskanäle erfolgt vorzugsweise betriebspunktabhängig. Dabei werden Vorsteuerwerte einer Speicheranordnung entnommen, die idealerweise Bestandteil der Mittel zur Steuerung und Regelung ist. Eine Anpassung der aktuellen Vorsteuerwerte kann jedoch ebenfalls durch betriebsabhängige Parameter erfolgen. Ein derartiger Parameter kann beispielsweise ein Parameter sein, der die Drehgleichförmigkeit des Kurbeltriebes einer Verbrennungskraftmaschine beschreibt. Steigt beispielsweise die Drehungleichförmigkeit des Kurbeltriebes der betreffenden Verbrennungskraftmaschine, wird die Einstellung des Beginns und der Dauer der Öffnung der Strömungskanäle derart korrigiert, dass eine stärkere Spülung des Vorbrennraumes erfolgt.

In Bezug auf eine möglichst korrekte Versorgung des Vorbrennraumes mit nahezu stöchiometrischem Kraftstoff-Luft-Gemisch ist es außerdem erfindungsgemäß vorgesehen, in der Ansaugleitung nahe der Mündung des Strömungskanals, welcher die Ansaugleitung und den Vorbrennraum miteinander verbindet, Mittel zur Kraftstoffdosierung anzuordnen. Dabei umfassen die Mittel zur Kraftstoffdosierung mindestens die Schaltstellung „Öffnen" und „Schließen". Weiterhin sind die Mittel zur Kraftstoffdosierung mit den Mitteln zur Steuerung und Regelung verbunden. In Bezug auf diese Anordnung ist es möglich, die Schaltstellungen „Öffnen" und „Schließen" der in der Ansaugleitung angeordneten Mittel zur Kraftstoffdosierung in Abhängigkeit der Schaltstellung des Strömungsventils, welches in dem Strömungskanal angeordnet ist und die Ansaugleitung und den Vorbrennraum miteinander verbindet, einzustellen.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Vorbrennraum ebenfalls so genannte Kammerkerzen. Außerdem sind die Merkmale der vorliegenden Erfindung ebenfalls auf jede Art von Verbrennungskraftmaschinen und Verfahren zu deren Betrieb übertragbar. Weiterhin ist die Art der jeweils verwendeten Kraftstoffe ohne Bedeutung. Vorzugsweise sollten gasförmige Kraftstoffe wie etwa Erdgas oder Gemische aus Propan und Butan beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz kommen.

Beispielhaft wird hier die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigen:
1: erfindungsgemäße Vorrichtung,
2: weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3: Übersicht über die erfindungsgemäßen Verfahren.
1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Spülung des Vorbrennraumes 1 einer Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Vorbrennraum 1 und einen Hauptbrennraum 2, wobei der Vorbrennraum 1 und der Hauptbrennraum 2 über mindestens einen Strömungskanal 3 miteinander in Strömungsverbindung stehen. Der Hauptbrennraum 2 steht über mindestens ein Strömungsventil 4 mit der Ansaugleitung 5 und über mindestens ein Strömungsventil 6 mit der Abgasleitung 7 in Strömungsverbindung, wobei die Strömungsventile 4 und 6 mit Mitteln zur Ventilbetätigung 8 in Verbindung stehen. Erfindungsgemäß steht der Vorbrennraum 1 mit der Ansaugleitung 5 über einen Strömungskanal 12 und mit der Abgasleitung 7 über einen Strömungskanal 9 in Strömungsverbindung, wobei der Strömungskanal 9 mit einem Strömungsventil 10 und der Strömungskanal 12 mit einem Strömungsventil 10' in Strömungsverbindung steht. Die Strömungsventile 10 und 10' sind mit Mitteln zur Steuerung und Regelung, welche nicht dargestellt sind, verbunden.
Entsprechend 2 ist es ebenfalls möglich, dass der Strömungskanal 9 und der Strömungskanal 12 mit einem gemeinsamen Strömungsventil 10'' in Strömungsverbindung stehen, wobei das Strömungsventil 10'' mit Mitteln zur Steuerung und Regelung, welche nicht dargestellt sind, verbunden ist. Dabei bilden der Strömungskanal 9 und der Strömungskanal 12 auf der dem Vorbrennraum 1 zugewandten Seite nach dem gemeinsamen Strömungsventil 10'' einen gemeinsamen Strömungskanal 13.
Die Strömungsventile 10 und 10' sind beispielsweise elektromagnetisch betätigte Ventile, die mindestens die Schaltstellung „Schließen" des Strömungskanals 9 und/oder des Strömungskanals 12 und die Schaltstellung „Öffnen" des Strömungskanals 9 und/oder des Strömungskanals 12 umfassen, wobei die Strömungsventile 10 und 10' ebenfalls Ventile sein können, deren Wirkungsweise auf elektrischem, pneumatischem, hydraulischem oder aber piezoelektrischem Prinzip beruht.
Das in 2 dargestellte Strömungsventil 10'' ist beispielsweise ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, das mindestens die Schaltstellung „Schließen" des Strömungskanals 9 und des Strömungskanals 12, die Schaltstellung „Öffnen" des Strömungskanals 9 bei geschlossenem Strömungskanal 12, die Schaltstellung „Öffnen" des Strömungskanals 12 bei geschlossenem Strömungskanal 9 sowie „Öffnen" des Strömungskanals 9 und des Strömungskanals 12 umfasst, wobei das Strömungsventil 10'' ebenfalls ein Ventil sein kann, dessen Wirkungsweise auf elektrischem, pneumatischem, hydraulischem oder aber piezoelektrischem Prinzip beruht oder mechanisch angesteuert wird.
Gemäß der 1 und 2 sind in der Ansaugleitung 5 nahe der Mündung des Strömungskanals 12 in die Ansaugleitung 5 Mittel zur Kraftstoffdosierung 14 angeordnet. Die Mittel zur Kraftstoffdosierung 14 umfassen mindestens die Schaltstellung „Öffnen" und „Schließen" und sind mit den Mitteln zur Steuerung und Regelung, welche nicht dargestellt sind, verbunden.
3a zeigt die Übersicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird der Strömungskanal 12 während des Ansaughubes vor dem Öffnen des mindestens einen Strömungsventils 4 geöffnet.
3b zeigt die Übersicht eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird der Strömungskanal 12 während des Ansaughubes mit dem Öffnen des mindestens einen Strömungsventils 4 geöffnet, wobei das mindestens eine Strömungsventil 4 lediglich teilweise geöffnet wird.
3c zeigt die Übersicht eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird der Strömungskanal 12 während des Ansaughubes nach dem Schließen des mindestens einen Strömungsventils 4 geöffnet.
3d zeigt die Übersicht eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird der Strömungskanal 12 während des Kompressionshubes geöffnet, wobei die Strömungsventile 4 und/oder 6 entweder noch geöffnet oder schon geschlossen sind.
3e zeigt die Übersicht eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird der Strömungskanal 9 während des Kompressionshubes geöffnet, wobei die Strömungsventile 4 und/oder 6 entweder noch geöffnet oder schon geschlossen sind.
3f zeigt die Übersicht eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei werden der Strömungskanal 12 und der Strömungskanal 9 während des Kompressionshubes geöffnet, wobei die Strömungsventile 4 und/oder 6 entweder noch geöffnet oder schon geschlossen sind.

1: Vorbrennraum
2: Hauptbrennraum
3: Strömungskanal
4: Strömungsventil, Einlassventil
5: Ansaugleitung
6: Strömungsventil, Auslassventil
7: Abgasleitung
8: Mittel zur Ventilbetätigung
9: Strömungskanal
10: Strömungsventil
10': Strömungsventil
10'': Strömungsventil
12: Strömungskanal
13: gemeinsamer Strömungskanal
14: Mittel zur Kraftstoffdosierung

Claims

Vorrichtung zur Spülung des Vorbrennraumes (1) einer Verbrennungskraftmaschine, welche einen Vorbrennraum (1) und einen Hauptbrennraum (2) umfasst, wobei der Vorbrennraum (1) und der Hauptbrennraum (2) über mindestens einen Strömungskanal (3) miteinander in Strömungsverbindung stehen und der Hauptbrennraum (2) über mindestens ein Strömungsventil (4) mit der Ansaugleitung (5) und über mindestens ein Strömungsventil (6) mit der Abgasleitung (7) in Strömungsverbindung steht, wobei die Strömungsventile (4) und (6) mit Mitteln zur Ventilbetätigung (8) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorbrennraum (1) mit der Ansaugleitung (5) über einen Strömungskanal (12) und mit der Abgasleitung (7) über einen Strömungskanal (9) in Strömungsverbindung steht, wobei entweder der Strömungskanal (9) mit einem Strömungsventil (10) und der Strömungskanal (12) mit einem Strömungsventil (10') in Strömungsverbindung steht oder der Strömungskanal (9) und der Strömungskanal (12) mit einem gemeinsamen Strömungsventil (10'') in Strömungsverbindung stehen, wobei die Strömungsventile (10), (10') und (10'') mit Mitteln zur Steuerung und Regelung verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (9) und der Strömungskanal (12) auf der dem Vorbrennraum (1) zugewandten Seite nach dem gemeinsamen Strömungsventil (10'') einen gemeinsamen Strömungskanal (13) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Steuerung und Regelung mit Mitteln zur Erfassung des Drehwinkels der Kurbelwelle und/oder der Nockenwelle und/oder der Position des Kolbens in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsventile (10) und (10') Ventile sind, die mindestens die Schaltstellung „Schließen" des Strömungskanals (9) und/oder des Strömungs kanals (12) und die Schaltstellung „Öffnen" des Strömungskanals (9) und/oder des Strömungskanals (12) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsventil (10'') ein Ventil ist, das mindestens die Schaltstellung „Schließen" des Strömungskanals (9) und des Strömungskanals (12), die Schaltstellung „Öffnen" des Strömungskanals (9) bei geschlossenem Strömungskanal (12), die Schaltstellung „Öffnen" des Strömungskanals (12) bei geschlossenem Strömungskanal (9) sowie „Öffnen" des Strömungskanals (9) und des Strömungskanals (12) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ansaugleitung (5) nahe der Mündung des Strömungskanals (9) in die Ansaugleitung (5) Mittel zur Kraftstoffdosierung (14) angeordnet sind und die Mittel zur Kraftstoffdosierung (14) mindestens die Schaltstellung „Öffnen" und „Schließen" umfassen und die Mittel zur Kraftstoffdosierung (14) mit Mitteln zur Steuerung und Regelung verbunden sind.
Verfahren zur Spülung des Vorbrennraumes (1) einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (12) während des Ansaughubes vor dem Öffnen des mindestens einen Strömungsventils (4) geöffnet wird.
Verfahren zur Spülung des Vorbrennraumes (1) einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (12) während des Ansaughubes mit dem Öffnen des mindestens einen Strömungsventils (4) geöffnet wird, wobei das mindestens eine Strömungsventil (4) lediglich teilweise geöffnet wird.
Verfahren zur Spülung des Vorbrennraumes (1) einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (12) während des Ansaughubes nach dem Schließen des mindestens einen Strömungsventils (4) geöffnet wird.
Verfahren zur Spülung des Vorbrennraumes (1) einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (12) während des Kompressionshubes geöffnet wird, wobei die Strömungsventile (4) und/oder (6) entweder noch geöffnet oder schon geschlossen sind.
Verfahren zur Spülung des Vorbrennraumes (1) einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (9) während des Kompressionshubes geöffnet wird, wobei die Strömungsventile (4) und/oder (6) entweder noch geöffnet oder schon geschlossen sind.
Verfahren zur Spülung des Vorbrennraumes (1) einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (12) und der Strömungskanal (9) während des Kompressionshubes geöffnet werden, wobei die Strömungsventile (4) und/oder (6) entweder noch geöffnet oder schon geschlossen sind.
Verfahren zur Spülung des Vorbrennraumes (1) einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstellungen „Öffnen" und „Schließen" der in der Ansaugleitung (5) angeordneten Mittel zur Kraftstoffdosierung (15) in Abhängigkeit der Schaltstellung der Strömungsventile (10), (10') und (10'') eingestellt werden.