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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen, ist beispielsweise bereits der
DE 10 2017 009 235 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren weist die Verbrennungskraftmaschine wenigstens einen Zylinder und einen Kolben auf, welcher translatorisch bewegbar in dem Zylinder aufgenommen und dabei zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt translatorisch bewegbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine weist auch wenigstens einen Brennraum auf, welcher zumindest durch den Zylinder und den Kolben begrenzt ist. Dem Brennraum ist eine Vorkammerzündkerze zugeordnet, welche eine über mehrere Öffnungen fluidisch mit dem Brennraum verbundene Vorkammer aufweist. In die Vorkammer ist ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Brennraum über die Öffnungen einleitbar. Mittels der Vorkammerzündkerze wird innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine zu einem jeweiligen, innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels auftretenden beziehungsweise liegenden Zündzeitpunkt zumindest ein Zündfunke in der Vorkammer erzeugt, wodurch das in die Vorkammer eingeleitete Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer gezündet und in der Folge verbrannt wird.
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Des Weiteren offenbart die
JP 2009 - 270 540 A eine Vorkammerzündkerze. Auch der
US 2019 / 0 203 651 A1 ist eine Vorkammerzündkerze als bekannt zu entnehmen. Die
DE 10 2018 007 093 A1 offenbart eine Vorkammerzündkerze für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders vorteilhafter Betrieb, insbesondere ein besonders stabiler befeuerter Betrieb, der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann, wobei während des befeuerten Betriebs in dem Brennraum Verbrennungsvorgänge ablaufen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Öffnungen eine tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen in die Vorkammer einströmenden Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirken. Mit anderen Worten sind die Öffnungen dazu ausgebildet, eine tumbleförmige Strömung des über die Öffnung in die Vorkammer einströmenden und einfach auch als Gemisch bezeichneten Kraftstoff-Luft-Gemisches zu bewirken. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt, bei dem befeuerten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bewirken die Öffnungen beispielsweise durch ihre Anordnung und/oder ihre Anzahl und/oder ihre Geometrie eine tumbleförmige Strömung des die Öffnungen durchströmenden und dadurch aus dem Brennraum in die Vorkammer einströmenden Gemisches. Dies bedeutet insbesondere, dass die beispielsweise als Durchgangsöffnungen ausgebildeten und einen Ends in die Vorkammer und anderen Ends in den Brennraum mündenden Öffnungen den die Öffnungen durchströmenden und dadurch aus dem Brennraum in die Vorkammer strömenden Gemisch eine auch als Tumbleströmung bezeichnete, zumindest im Wesentlichen tumbleförmige und somit walzenförmige Strömung auf, sodass sich ein besonders vorteilhafter Betrieb der Vorkammerzündkerze und somit der Verbrennungskraftmaschine insgesamt realisieren lässt. Im Gegensatz zu einer drallförmigen Strömung, die sich beispielsweise schraubenartig um eine Hauptachse beziehungsweise um eine Längsachse der Vorkammer erstreckt, ist die tumbleförmige Strömung eine auch als Walzenströmung bezeichnete, walzenförmige Strömung, die sich beispielsweise zumindest teilweise in einer Ebene erstreckt beziehungsweise in einer Ebene verläuft, in der die Hauptachse liegt. Mit anderen Worten verläuft beispielsweise die tumbleförmige Strömung um eine senkrecht zur Hauptachse verlaufende Strömungsachse. In der genannten Ebene verläuft beispielsweise auch die Zylinderachse des Zylinders, oder die Ebene verläuft parallel zu einer weiteren Ebene, in welcher die Zylinderachse verläuft, wobei der Zylinder vorzugsweise bezogen auf die Zylinderachse zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
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Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Zündzeitpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels höchstens 45 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens liegt. Mit anderen Worten, da zu dem Zündzeitpunkt der Zündfunke in der Vorkammer erzeugt wird, erfolgt zu dem Zündzeitpunkt eine Zündung des Gemisches in der Vorkammer. Diesbezüglich ist es somit erfindungsgemäße vorgesehen, dass die Zündung frühestens 45 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt, das heißt nicht früher als 45 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt erfolgt. Somit liegt eine so genannte Frühzündgrenze höchstens 45 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels. Unter der Frühzündgrenze ist zu verstehen, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels die Zündung nicht früher als die Frühzündgrenze erfolgt.
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Außerdem ist es vorgesehen, dass in einem ersten Betriebsbereich bei geringen Lasten der Verbrennungskraftmaschine der Zündzeitpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels spätestens 0 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt bis 10 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt liegt. In einem zweiten Betriebsbereich mit gegenüber dem ersten Betriebsbereich höheren Lasten liegt der Zündzeitpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels 20 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt bis 60 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt. In einem dritten Betriebsbereich mit gegenüber dem ersten und zweiten Betriebsbereich höheren Lasten liegt der Zündzeitpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels spätestens bis 80 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt liegt.
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Die Frühzündgrenze liegt vorzugsweise höchstens 45 Grad Kurbelwinkel, 40 Grad Kurbelwinkel, 35 Grad Kurbelwinkel, 30 Grad Kurbelwinkel, 25 Grad Kurbelwinkel, 20 Grad Kurbelwinkel oder 15 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn in einem ersten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine der Zündzeitpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels höchstens 45 Grad Kurbelwinkel, 40 Grad Kurbelwinkel, 35 Grad Kurbelwinkel, 30 Grad Kurbelwinkel oder 25 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens liegt. In einem zweiten Betriebsbereich mit gegenüber dem ersten Betriebsbereich geringeren Lasten und/oder Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine liegt vorzugsweise der Zündzeitpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels höchstens 35 Grad Kurbelwinkel, 30 Grad Kurbelwinkel, 25 Grad Kurbelwinkel, 20 Grad Kurbelwinkel oder 15 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass in dem ersten Betriebsbereich, in welchem die Verbrennungskraftmaschine gegenüber dem zweiten Betriebsbereich mit höheren Lasten und/oder höheren Drehzahlen betrieben wird, die Zündung innerhalb jeweiliger, in dem ersten Betriebsbereich stattfindender Arbeitsspiele der Verbrennungskraftmaschine frühestens 45 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt erfolgt, wobei innerhalb jeweiliger Arbeitsspiele des zweiten Betriebsbereichs, in beziehungsweise bei welchem die Verbrennungskraftmaschine im Vergleich zum ersten Betriebsbereich mit geringeren Lasten und/oder geringeren Drehzahlen betrieben wird, frühestens 35 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt erfolgt. Somit unterbleibt in dem zweiten Betriebsbereich eine gegenüber 35 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt frühere Zündung.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: da die Öffnungen dazu ausgebildet sind, eine tumbleförmige Strömung des die Öffnungen durchströmenden Gemisches in der Vorkammer zu bewirken, wird die Vorkammerzündkerze auch als Tumble-Vorkammerzündkerze (Tu-VKZ) bezeichnet. Ferner ist es denkbar, dass die Verbrennungskraftmaschine als ein Ottomotor, insbesondere als ein direkteinspritzender Ottomotor, ausgebildet ist, sodass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels ein insbesondere flüssiger Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Dabei umfasst das Gemisch den in den Brennraum eingespritzten Kraftstoff und Luft. Somit wird beispielsweise die Verbrennungskraftmaschine in ihrem befeuerten Betrieb mittels eines Brennverfahrens, insbesondere mittels eines Otto-DE-Brennverfahrens betrieben. Mit der Verwendung einer Tumble-Vorkammerzündkerze in einem insbesondere als Otto-DE-Brennverfahrens ausgebildeten Brennverfahren sollte gewährleistet werden, dass auch bei Verwendung dieser Zündungstechnologie die Funktion der Entflammung des Gemisches im gesamten Kennfeldbereich und bei allen Betriebsarten beziehungsweise in allen Betriebsbereichen der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet ist. Im Gegensatz zu Standard-Zündkerzen, welche keine Hohlkammer aufweisen und bei denen sich zum Zündzeitpunkt (ZZP) nur ein entflammbares Gemisch zwischen Elektroden der Standard-Zündkerze befinden muss, ist es bei der Verwendung einer Tumble-Vorkammerzündkerze vorteilhaft, eine definierte Strömung in der Vorkammer vor dem Zündzeitpunkt für eine sichere Entflammung des Gemisches in der Vorkammer zu erzeugen. Solche Zündgrenzen müssen daher appliziert werden, was durch die Erfindung realisiert werden kann.
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Um in der Vorkammer zum Beispiel im Niedriglastbereich eine stabile Tumbleströmung zu erzeugen, in welcher ein brennbares Gemisch derart in Rotation gebracht wird, dass durch eine Zündung mittels eines Funkens in der Vorkammer eine Entflammung stattfindet und eine daraus resultierende Flamme sich in Richtung der auch als Überströmbohrungen bezeichneten oder als Überströmbohrungen ausgebildeten Öffnungen ausbreitet, ist es vorteilhaft, einen Zündzeitpunkt abzuwarten, ab dem diese Rotation hinreichend stabil ist. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, das heißt im Vergleich zu Standard-Zündkerzen spätere Zündzeitpunkte, das heißt spätere Frühzündgrenzen zu wählen. Dadurch kann das Risiko von verschleppten Verbrennungen bis hin zu Verbrennungsaussetzern zumindest besonders gering gehalten werden. Mit anderen Worten können durch die Erfindung die folgenden Vorteile realisiert werden:
- - keine Verbrennungsaussetzer im Niedriglastbereich, die zur Schädigung eines Katalysators führen könnten
- - Ausweitung des Niedriglastbereiches bis hin zu niedrigeren fahrbaren Lasten
- - Ausweitung eines Katalysatorheizbetriebes bis hin zu späteren, möglichen Zündzeitpunkten
- - allgemein Ausweitung des mit einer Vorkammerzündkerze betreibbaren Kennfeldbereiches
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Zündfenster für Standardzündkerzen sind, insbesondere steuergeräteseitig, auf 50 Grad Kurbelwinkel bis 60 Grad Kurbelwinkel vor und nach dem oberen Zündtotpunkt begrenzt, insbesondere um Fehlbedatungen zu vermeiden. Für die Tumble-Vorkammerzündkerze hängt der Zündbereich beziehungsweise die Frühzündgrenze von der Rotationsstärke der Tumbleströmung ab, wobei die Rotationsstärke wiederum mit dem Betriebsbereich beziehungsweise Kennfeldbereich, in welchem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, zusammenhängt. Es wurde gefunden, dass je höher die Last der Verbrennungskraftmaschine ist, desto höher und stärker ist die Einströmung des Gemisches durch die beispielsweise als Bohrungen ausgebildeten Öffnungen in der Vorkammer und desto früher erfolgt ein vorteilhafter Aufbau der Tumblestruktur, mithin der Tumbleströmung. Je höher die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine ist, desto höher ist die Durchtrittsgeschwindigkeit und desto früher erfolgt der Aufbau der Tumbleströmung. Versuche haben gezeigt, dass, insbesondere im Leerlaufbereich, die Frühzündgrenze bei 25 Grad Kurbelwinkel +/- 10 Grad Kurbelwinkel, insbesondere +/- 5 Grad Kurbelwinkel, vor dem oberen Zündtotpunkt vorteilhaft ist. Bei demgegenüber höheren Lasten und/oder Drehzahlen ist eine Frühzündgrenze von 35 Grad Kurbelwinkel +/- 10 Grad Kurbelwinkel, insbesondere +/- 5 Grad Kurbelwinkel, vor dem oberen Zündtotpunkt besonders vorteilhaft. Durch diese Frühzündgrenzen ist es möglich, dass der einfach auch als Funke bezeichnete Zündfunke von Elektroden der Vorkammerzündkerze nach unten und/oder zu den Öffnungen konvektiert, um den Start der Entflammung in die Nähe der Öffnungen zu bringen. Bei kleineren Lasten und/oder Drehzahlen wird dies umso kritischer, weshalb hier die Frühzündgrenze enger gefasst beziehungsweise später ist, das heißt höchstens weniger weit von dem oberen Zündtotpunkt entfernt ist als bei demgegenüber höheren Lasten und/oder Drehzahlen.
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Die Betriebsbereiche sind vorzugsweise Teilbereiche eines Gesamtbetriebsbereiches oder eines Kennfelds der Verbrennungskraftmaschine, wobei der Gesamtbetriebsbereich beziehungsweise das Kennfeld alle möglichen Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine, das heißt alle möglichen Betriebspunkte, in welchen die Verbrennungskraftmaschine betreibbar ist, umfasst. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt ist der Gesamtbetriebsbereich beziehungsweise das Kennfeld durch alle Betriebspunkte gebildet, in welchen die Verbrennungskraftmaschine betreibbar ist. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass bezogen auf den Gesamtbetriebsbereich beziehungsweise auf das Kennfeld, das heißt vorzugsweise in dem gesamten Gesamtbetriebsbereich beziehungsweise in dem gesamten Kennfeld, innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels eine gegenüber 45 Grad Kurbelwinkel frühere Zündung unterbleibt. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in dem Gesamtbetriebsbereich beziehungsweise in dem gesamten Kennfeld der Zündzeitpunkt höchstens 45 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels liegt, mithin in dem gesamten Kennfeld innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels eine gegenüber 45 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt frühere Zündung des Gemisches unterbleibt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in
- 1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer Verbrennungskraftmaschine, welche gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird; und
- 2 ein Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht eine als Hubkolbenmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10 eines insbesondere als Kraftwagen und ganz insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildeten Kraftfahrzeugs. Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 beschrieben. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist wenigstens einen Zylinder 12 auf, welcher durch eine Zylinderwand 14 begrenzt beziehungsweise gebildet ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst außerdem einen Kolben 16, welcher translatorisch bewegbar in dem Zylinder 12 angeordnet und dabei zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt translatorisch hin- und her bewegbar ist. Durch den Kolben 16 und durch den Zylinder 12 ist ein Brennraum 18 der Verbrennungskraftmaschine 10 begrenzt. Der Brennraum 18 ist außerdem durch ein Brennraumdach 20 begrenzt, welches beispielsweise durch einen Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet ist. Der Kolben 16 ist über ein Pleuel gelenkig mit einer als Kurbelwelle ausgebildeten Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine 10 gekoppelt, sodass die translatorischen Bewegungen des Kolbens 16 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandelt werden können. Innerhalb eines jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 10 wird in den Brennraum 18 Frischluft über wenigstens ein Einlassventil 22 eingeleitet. Außerdem wird ein insbesondere flüssiger Kraftstoff, insbesondere ein Ottokraftstoff, in den Brennraum 18 innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels eingebracht, insbesondere direkt eingespritzt. Der Kraftstoff und die Luft bilden ein einfach auch als Gemisch bezeichnetes Kraftstoff-Luft-Gemisch.
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Dem Brennraum 18 ist eine Vorkammerzündkerze 24 zugeordnet, welche als Tumble-Vorkammerzündkerze ausgebildet ist. Die Vorkammerzündkerze 24, deren auch als Längsachse bezeichnete Hauptachse in 1 mit 28 bezeichnet ist, weist eine Vorkammer 26 auf, welche über beispielsweise als Bohrungen ausgebildete Öffnungen 30 fluidisch mit dem Brennraum 18 verbunden ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Vorkammer 26 bis auf die Öffnungen 30, über welche die Vorkammer 26 fluidisch mit dem Brennraum 18 verbunden ist, von dem Brennraum 18 getrennt ist. Über die beispielsweise als Bohrungen ausgebildeten Öffnungen 30 wird innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels der Verbrennungskraftmaschine 10 das Gemisch aus dem Brennraum 18 in die Vorkammer 26 eingeleitet, insbesondere dadurch hineingedrückt, dass sich der Kolben 16 aus seinem unteren Totpunkt in seinen oberen Totpunkt bewegt. Außerdem wird innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels mittels der Vorkammerzündkerze 24 zu einem Zündzeitpunkt zumindest ein Zündfunke in der Vorkammer 26 erzeugt, insbesondere wird der Zündfunke mittels Elektroden 32 und 34 der Vorkammerzündkerze 24 und der Vorkammer 26 erzeugt. Durch den in der Vorkammer 26 erzeugten Zündfunken, welcher auch als Funken bezeichnete wird, wird das Gemisch in der Vorkammer 26 gezündet. Hieraus resultieren brennende Fackeln, die über die Öffnungen 30 aus der Vorkammer 26 zurück in den Brennraum 18 strömen und dort das in dem Brennraum 18 verbliebene Gemisch entzünden. Aus dem Zünden und Verbrennen des Gemisches resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10. Das Abgas kann über wenigstens ein dem Brennraum 18 zugeordneten Auslassventil 23 aus dem Brennraum 18 ausströmen und beispielsweise in einen Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine 10 einströmen.
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In 1 ist durch einen Pfeil 36 eine Tumbleströmung des Gemisches in dem Brennraum 18 veranschaulicht. Anhand des Pfeils 36 ist erkennbar, dass die Tumbleströmung um eine erste Strömungsachse walzenförmig verläuft, wobei die erste Strömungsachse senkrecht zu einer Ebene verläuft, in welcher die auch als Zylinderachse bezeichnete Längsmittelachse des Zylinders 12 verläuft, welche beispielsweise bezüglich der Zylinderachse zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Insbesondere geht die Zylinderachse durch die Mitte des Zylinders 12.
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Um nun einen besonders vorteilhaften Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 zu realisieren, bewirken innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels die Öffnungen 30 eine, insbesondere in der Vorkammer 26 stattfindende, tumbleförmige Strömung des über die Öffnungen 30 in die Vorkammer 26 einströmenden Gemisches. Anhand des Pfeils 38 ist erkennbar, dass die tumbleförmige Strömung des Gemisches in der Vorkammer 26 um eine zweite Strömungsachse walzenförmig verläuft, welche senkrecht zur Hauptachse 28 und/oder senkrecht zu einer Ebene verläuft, in welcher die Hauptachse 28 verläuft.
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Beispielsweise ist die Vorkammer 26, insbesondere zumindest innenumfangsseitig, zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Hauptachse 28 ausgebildet.
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Außerdem ist es vorgesehen, dass der Zündzeitpunkt innerhalb der jeweiligen Arbeitsspiels, insbesondere in dem gesamten Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 10, höchstens 45 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens 16 liegt. Dies bedeutet, dass das zuvor genannte Kennfeld alle Betriebspunkte umfasst, in welchen die Verbrennungskraftmaschine 10 insbesondere im Hinblick auf deren Last und Drehzahl betreibbar ist. Dies bedeutet insbesondere, dass der jeweilige Betriebspunkt durch die jeweilige Last und jeweilige Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10 charakterisiert wird. Zu dem Zündzeitpunkt wird durch den Zündfunken eine Zündung des Gemisches in der Vorkammer 26 bewirkt. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass in dem gesamten Kennfeld innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels eine gegenüber 45 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens 16 frühere Zündung des Gemisches in der Vorkammer 26 unterbleibt. Die Verbrennungskraftmaschine 10 und insbesondere das Verfahren basieren dabei insbesondere auf den folgenden Erkenntnissen: Aufgrund der Turbulenzgeneration in der Vorkammer 26 wird in der Kompressionsphase über die großen, beispielsweise als Überströmbohrungen ausgebildeten Öffnungen 30, die in Richtung der Einlassströmung und eines Injektors zeigen, mittels welchem beispielsweise der Kraftstoff direkt in den Brennraum 18 eingespritzt wird, eine Strömung induziert, die das in die Vorkammer 26 einströmende Kraftstoff-Luft-Gemisch an der strömungsabgewandten Seite der Vorkammer 26 in Richtung der beispielsweise als Mittelelektrode ausgebildeten Elektrode 34 transportiert. Dort wird die Strömung des in die Vorkammer 26 einströmenden Gemisches beziehungsweise die Strömung des Gemisches in die Vorkammer 26 umgelenkt und durch den Elektrodenbereich in Richtung der Überströmbohrungen zurück transportiert, wobei insbesondere ein drehlagenorientierter Einbau der Vorkammerzündkerze 24 vorgesehen ist.
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Wird nach Ausbildung dieser auch als Tumble-Strömung bezeichneten, tumbleförmigen beziehungsweise walzenförmigen Strömung in der Vorkammer 26 der Zündfunke zwischen den Elektroden 32 und 34 erzeugt, das heißt abgesetzt, wird das dadurch entflammte beziehungsweise entzündete Gemisch in der Vorkammer 26 nach unten in Richtung der Überströmbohrungen transportiert, und dadurch werden bei weiterer Verbrennung des restlichen Gemisches in der Vorkammer 26 aufgrund der Ausdehnung des Gases die Flammen beziehungsweise reaktive Elemente durch die Überströmbohrungen in den auch als Hauptbrennraum bezeichneten Brennraum 18 gedrückt, wo die Flammen das restliche, in dem Brennraum 18 verbliebene Gemisch entflammen, mithin zünden.
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Wird ein beziehungsweise der Zündfunke in der Vorkammer 26 vor Erreichen einer kritischen beziehungsweise notwendigen Strömung des Gemisches in der Vorkammer 26 abgesetzt, konvektiert die Flamme nach oben und es wird in der Folge zuerst unverbranntes Gemisch durch die Überströmbohrungen in den Hauptbrennraum gedrückt, ohne das im Hauptbrennraum vorhandene beziehungsweise verbliebene Gemisch zu entflammen. Dadurch kann in einem kritischen Lastbereich der auch als Motor bezeichneten Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere bei niedrigen Lasten, ein Zustand entstehen, bei dem es zu keinem Übertritt von heißen Verbrennungsprodukten aus der Vorkammer 26 in den Hauptbrennraum kommt, sodass es zu Verbrennungsaussetzern kommen kann.
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Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können nun durch das Verfahren vermieden werden. Bei dem Verfahren ist es daher von Vorteil, trotz möglicherweise entstehender Verbrennungsschwerpunktslagenverschleppung und eines Nachteils beim Kraftstoffverbrauch einen späteren Zündzeitpunkt als herkömmlich, das heißt als bei der Verwendung von herkömmlichen Standard-Zündkerzen ohne Vorkammer zu wählen, mithin einen solchen, gegenüber herkömmlichen Lösungen späteren Zündzeitpunkt zu wählen, bei dem die Tumbleströmung in der Vorkammer ausreichend ausgebildet ist und eine Entflammung des Gemisches im Hauptbrennraum gewährleistet wird.
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Es wurde gefunden, dass der insbesondere im gesamten Kennfeld frühest mögliche oder am frühesten zu applizierende Zündzeitpunkt 45 Grad Kurbelwinkel, insbesondere 40 Grad Kurbelwinkel, vor dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens 16 innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels ist. Dieser frühest mögliche Zündzeitpunkt ist somit eine Frühzündgrenze, mithin die früheste, das heißt am weitesten von dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens 16 innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels beabstandete Zündgrenze, wobei eine innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels vor der Frühzündgrenze, das heißt eine innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels gegenüber der Frühzündgrenze frühere Zündung des Gemisches in der Vorkammer 26 unterbleibt. Ganz besonders vorteilhaft ist es vorgesehen, und dies ist insbesondere als separater, unabhängiger Aspekt anzusehen, dass die frühest mögliche oder am frühsten zu applizierende Zündgrenze, mithin die Frühzündgrenze zwischen 40 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt und 10 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels liegt. Besonders vorteilhaft ist eine Entflammbarkeit bei dem beziehungsweise als einem frühesten Zündzeitpunkt, mithin bei der Frühzündgrenze zwischen 25 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt und 15 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels, insbesondere in dem gesamten Kennfeld.
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Die Tumbleströmung in der einfach auch als Kammer bezeichneten Vorkammer 26 wird während des Verdichtungstaktes durch das einströmende Gemisch beschleunigt. Nach dem oberen Zündtotpunkt (OZT) wird kein frisches Gemisch mehr in die Kammer gedrückt, wodurch sich die Tumblebewegung in der Kammer verlangsamt und allmählich abklingt. Vielmehr wird nach dem oberen Zündtotpunkt zündfähiges Gemisch aus der Kammer herausgezogen. Diese zwei Effekte erschweren eine Entzündung bei späten Zündzeitpunkten.
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Somit ist es ganz vorzugsweise vorgesehen, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels und vorzugsweise bezogen auf das gesamte Kennfeld, das heißt in dem gesamten Kennfeld, der Zündzeitpunkt mindestens 0 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens 16 liegt. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass, insbesondere in dem gesamten Kennfeld, innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels eine gegenüber 0 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt spätere Zündung des Gemisches in der Vorkammer 26 unterbleibt.
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Späte Zündzeitpunkte werden aufgrund der Tumbleströmung in der Kammer so lange in eine Verbrennung im Hauptbrennraum umgesetzt, solange die Tumbleströmung in der Kammer auch nach dem Durchlaufen des oberen Totpunktes und nach Beginn der Abwärtsbewegung des Kolbens 16 weiterhin erhalten bleibt. Ist die Tumbleströmung in der Kammer bei sehr späten Zündzeitpunkt zu stark abgeklungen, wird auch in diesem Fall eine Entflammung immer schwieriger, und es kann auch in diesem Fall zu Verbrennungsaussetzern kommen. Wie bei der Frühzündgrenze bei kleinen Lasten ist auch eine Spätzündgrenze vor allem bei kleinen Lasten vorhanden. Unter der Spätzündgrenze ist insbesondere zu verstehen, dass innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels und vorzugsweise in dem gesamten Kennfeld eine Zündung des Gemisches in der Vorkammer 26 nach der Spätzündgrenze unterbleibt. vorzugsweise muss in den oben genannten Fällen ebenfalls ein Zündzeitpunkt nach dem Zerfalle einer solchen stabilen Tumbleströmung vermieden werden.
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Lastabhängig kann das Zündfenster jedoch deutlich nach dem oberen Zündtotpunkt ausgeweitet werden. Beispielsweise kann bei einer Drehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute und einer Last von mehr als 3 bar Mitteldruck in dem Brennraum 18 eine Zündung nach 50 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt noch zuverlässig erfolgen, während bei einer Reduzierung der Last auf weniger als 2 bar Mitteldruck eine Spätzündgrenze auf wenige Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt zurückgeht. Vorzugsweise wird in diesem Lastbereich die Spätzündgrenze applikativ im Steuergerät begrenzt. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Zündgrenze, insbesondere eine Spätzündgrenze, von 0 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt bis 10 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt bei Lasten von weniger als 2 bar Mitteldruck und/oder eine Spätzündgrenze von 20 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt bis 60 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt bei Lasten von weniger als 3 bar Mitteldruck. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass der Zündzeitpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels, insbesondere in dem gesamten Kennfeld, höchstens 80 Grad Kurbelwinkel nach dem oberen Zündtotpunkt des Kolbens 16 liegt, sodass insbesondere in dem gesamten Kennfeld innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels eine spätere Zündung, das hießt eine Zündung nach der Spätzündgrenze unterbleibt.
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2 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse 40 die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10 aufgetragen ist. Auf der Ordinate 42 ist die Last der Verbrennungskraftmaschine 10 aufgetragen. In das in 2 gezeigte Diagramm ist das zuvor genannte, mit 44 bezeichnete Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine 10 eingetragen, deren Kennfeld auch als Motorkennfeld bezeichnet wird. in das Kennfeld 44 sind last- und/oder drehzahlabhängige, das heißt betriebspunktabhängige Frühzündgrenzen eingetragen, die in 2 durch Kurven 46a-c veranschaulicht sind. Es ist erkennbar, dass bei niedrigen Lasten und/oder Drehzahlen die Frühzündgrenze bei 25 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt liegt. Bei demgegenüber höheren Lasten und/oder Drehzahlen liegt die Frühzündgrenze bei 30 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt. Bei demgegenüber nochmals höheren Lasten und/oder Drehzahlen liegt die Frühzündgrenze bei 35 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels. Es ist somit erkennbar, dass mit steigender Last und/oder Drehzahl die Frühzündgrenze weiter nach früh verschoben wird, mithin frühere Zündungen zugelassen werden.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt die früheste Frühzündgrenze bei 35 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt, sodass in dem gesamten Kennfeld innerhalb des jeweiligen Arbeitsspiels der Zündzeitpunkt höchstens 35 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt liegt, sodass eine demgegenüber frühere Zündung, das heißt ein Zündzeitpunkt, welcher mehr als 35 Grad Kurbelwinkel vor dem oberen Zündtotpunkt liegt, unterbleibt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Zylinder
- 14
- Zylinderwand
- 16
- Kolben
- 18
- Brennraum
- 20
- Brennraumdach
- 22
- Einlassventil
- 23
- Auslassventil
- 24
- Vorkammerzündkerze
- 26
- Vorkammer
- 28
- Hauptachse
- 30
- Öffnung
- 32
- Elektrode
- 34
- Elektrode
- 36
- Pfeil
- 38
- Pfeil
- 40
- Abszisse
- 42
- Ordinate
- 44
- Kennfeld
- 46a-c
- Kurve
