DE19624964A1 - Zündsystem für einen Gasmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine, wobei die Brennkraft­ maschine ein Kurbelgehäuse aufweist, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein Pleuel angelenkt ist, das einen Kolben trägt, der in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder unter Bildung eines Arbeitsraumes bewegbar ist, und wobei dem Arbeitsraum Arbeitsmittel zuführbar sind.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE-OS 28 26 807 bekannt. Dabei wird bei dieser Brennkraftmaschine in aufeinander folgenden Arbeitstakten ein sauerstoffhaltiges Gemisch zunächst verdichtet und da­ durch erhitzt sowie danach entzündet, worauf die Verbrennungsgase ex­ pandieren. Dieses Arbeitsverfahren wird dadurch weitergebildet, daß wenigstens ein Teil des eingesetzten Brennstoffs vor dem Einführen in den Prozeß zumindest auf seine Entzündungstemperatur erhitzt und dann in gasförmigem Zustand nach einem den Verbrennungsprozeß steuern­ den Gesetz in das sauerstoffhaltige Gemisch eingeblasen wird. Dieses Verfahren und eine entsprechend ausgebildete Brennkraftmaschine er­ fordern einen hohen Bauaufwand und sind somit in der Realisierung auf­ wendig, wobei die Zündsteuerung beziehungsweise Entzündung des Gemischs noch Schwankungen unterliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben der Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, das eine sehr genaue und sichere Zündsteuerung des Arbeits­ mittels ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Verfahren zum Betreiben der Brenn­ kraftmaschine dadurch gelöst, daß in einer dem Arbeitsraum zugeordne­ ten Einblaskammer verdichtetes und gezündetes Arbeitsmittel speicher­ bar ist und zur Zündung von neu zugeführtem Arbeitsmittel in den Arbeits­ raum einleitbar ist. Die für dieses Verfahren ausgelegte Brennkraftma­ schine zeichnet sich dadurch aus, daß dem Arbeitsraum eine verdichtetes Arbeitsmittel aufnehmende Einblaskammer zugeordnet ist, die zu dem Arbeitsraum hin dicht verschließbar ist. Durch dieses Verfahren und diese Ausbildung wird eine sichere Entflammung und stabile Verbrennung des Arbeitsmittels, das im zugeführten Zustand aus einem Kraftstoff-Luft- Gemisch besteht, gewährleistet. Dabei ist dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch insbesondere ein Gas-Luft-Gemisch, so daß die vorliegende Erfindung insbesondere bei Gasmotoren angewendet werden kann. Die bekannte Funkenzündung für Otto-Motoren hat den Nachteil, daß die Flammkern­ bildung und die daraus resultierende Verbrennung starken Zyklus­ schwankungen unterliegt. Bei dem ebenfalls bekannten Verfahren der Glühstiftzündung wird ein brennbares Gas-Luft-Gemisch im Brennraum an einem Glühstift mit hoher Oberflächentemperatur entflammt, wobei dadurch eine stabile Entflammung möglich ist, jedoch der Entflammungs­ zeitpunkt schwankt. Diese Nachteile und Probleme werden durch die er­ findungsgemäße Ausgestaltung vermieden. Es hat sich nämlich gezeigt, daß durch das gespeicherte gezündete Arbeitsmittel des letzten Arbeits­ zyklus′ das neu zugeführte Arbeitsmittel sicher und zuverlässig gezün­ det bzw. entflammt werden kann. Dabei ist das gezündete Arbeitsmittel des letzten Arbeitszyklus′ entflammtes Gas-Luft-Gemisch in einer gerin­ gen, dem eigentlichen Arbeitszyklus entzogenen Menge. Diese geringe entzogene Menge wirkt sich auf das Betriebsverhalten nicht nachteilig aus, beziehungsweise hat gar keinen Einfluß, da diese Menge in näch­ sten Arbeitszyklus ja wieder den Prozeß zugeführt wird. Andererseits bewirkt diese geringe, angenähert unter dem Zünddruck stehende und sehr heiße Menge von gezündetem Arbeitsmittel eine sehr zuverlässige Zündung des frischen Luft-Gas-Gemischs. Dabei stellt sich eine sehr gute Reproduzierbarkeit ein, so daß Zyklusschwankungen quasi ausgeschlos­ sen sind und der Entflammungszeitpunkt sehr genau festgelegt werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein die Einblaskammer zum Arbeits­ raum absperrendes Ventil zur Einleitung des verdichteten und gezünde­ ten Arbeitsmittels vor der gewollten Zündung geöffnet. Das in der Ein­ blaskammer befindliche gezündete Gas-Luft-Gemisch steht unter einem höheren Druck als das neu zugeführte, unverbrannte Gemisch, so daß ein schnelles Überströmen (Einblasen), Vermischen und Zünden des neu zugeführten Gemischs erfolgt. Je nach Ausgestaltung der Brennkraftma­ schine befindet sich die Einblaskammer direkt benachbart zu dem Arbeitsraum oder aber auch in einer Vorkammer, die dann an den Arbeitsraum anschließt.

In Weiterbildung der Erfindung wird das Ventil nach der erfolgten Zün­ dung geschlossen. Hierzu wird ein früher Zeitpunkt gewählt, in dem das gerade gezündete Gemisch sehr heiß ist und unter einem hohen Druck steht. Da dieser Druck sowohl in dem Arbeitsraum als auch in der Vor­ kammer herrscht, brauchen keine besonderen Vorkehrungen zur Füllung der Vorkammer getroffen zu werden und es treten auch keine großen Ventilschließkräfte auf.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Einblaskammer an der Innenwan­ dung thermisch isoliert. Dadurch wird erreicht, daß die Abstrahlungsver­ luste zwischen zwei aufeinander folgenden Arbeitszyklen einerseits sehr gering sind, andererseits eine zusätzliche thermische Belastung der an­ grenzenden Bauteile insbesondere des Zylinderkopfs nicht eintritt.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Einblaskammer durch ein Ventil gegenüber der Vorkammer beziehungsweise dem Arbeitsraum absperr­ bar und das Ventil ist von einem hydraulisch und/oder elektrisch betätigba­ ren Schaltelement beherrscht. Hier erfolgt die Auswahl der hydraulischen und/oder elektrischen Betätigung nach den Gegebenheiten der jeweiligen Brennkraftmaschine, wobei insbesondere die Größe des Ventils und das zur Verfügungstehen von Hydraulikanlage eine Rolle spielen.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Hydrauliksystem ein Hochdruck­ system, wobei in eine Zu- und/oder Absteuerleitung zu dem Schaltele­ ment ein Magnetventil eingeschaltet ist. Dabei weist das Magnetventil einen Steuerschieber auf, der eine Hochdruckleitung in der Form be­ herrscht, daß die Hochdruckleitung auf eine Niederdruckleitung aufschalt­ bar ist. Das Magnetventil ist vorteilhaft ein aus der Einspritztechnik be­ kanntes und erprobtes Ventil, das in der Einspritztechnik in dem Kraft­ stoffhochdrucksystem zur Steuerung der Einspritzung eingesetzt wird. Der Steuerschieber wird dabei von einem Elektromagneten betätigt, ist quer zu der Zu- und/oder Absteuerleitung in einem entsprechenden Ven­ tilkörper angeordnet und gibt im geschlossenen Zustand über einen Ringraum in dem Ventilkörper den ungehinderten Strömungsfluß in der Hochdruckleitung frei. Im geöffneten Zustand des Steuerschiebers wird dann diese Hochdruckleitung über eine Einschnürung in dem Steuer­ schieber mit einer seitlich neben der Hochdruckleitung angeordneten Niederdruckleitung verbunden. Dabei bleibt auch im geöffneten Zustand ein gewisser Mindestdruck in dem Gesamtsystem bestehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung zu entnehmen, in der ein in der Zeichnungsbeschreibung näher beschriebe­ nes Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Die Brennkraftmaschine weist ein Kurbelgehäuse i auf, in dem eine Kur­ belwelle 2 drehbar gelagert ist. An der Kurbelwelle 2 ist ein Pleuel 3 be­ festigt, das einen Kolben 4 trägt, der in einer Zylinderlaufbuchse 5 be­ weg bar ist. Die Zylinderlaufbuchse 5 bzw. das Kurbelgehäuse 1 wird nach oben von einem Zylinderkopf 6 abgeschlossen, wobei zwischen dem Kol­ ben 4 und dem Zylinderkopf 6 ein Arbeitsraum 7 gebildet ist.

Der Ein- und Auslaß des Arbeitsmittels in Form von Gas und Luft erfolgt über eine übliche Gaswechseleinrichtung mit Nockenwelle 8 (teilweise dargestelltem) Ventiltrieb 9 und (teilweise dargestellten) Gaswechsel­ kanälen 10.

In dem Zylinderkopf 6 ist eine Vorkammer 11 eingelassen, in die eine Einblaskammer 21 eingesetzt ist und die zu der Vorkammer 11 durch ein Ventil 12 verschließbar ist. Das Ventil 12 wird von einem Schaltelement 13 betätigt, das wiederum von einem Magnetventil 14 gesteuert wird. Das Magnetventil 14 wird von einer elektronischen Steuereinrichtung 15 an­ gesteuert. Dabei kann die Steuereinrichtung 15 auch sämtliche andere Motorfunktionen steuern. Das Magnetventil 14 beherrscht eine Hochdruckleitung 16a, 16b, durch die Hydraulikfluid insbesondere Öl von einem Speicher 17 zu dem Schaltelement 13 geleitet wird. Der Speicher 17 wird von einer Pumpe 18, die beispielsweise von einem Elektromotor 19 be­ trieben wird, mit Hydraulikflüssigkeit aus einem Tank 20 befüllt.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist wie folgt: Es handelt sich zunächst bei der Brennkraftmaschine um einen nach dem Viertaktverfahren arbeitenden Gasmotor mit mehreren Zylin­ dereinheiten. Von dem Kolben 4 wird in dem Arbeitsraum 7 zugeführtes Arbeitsmittel in Form eines Luft-Gas-Gemischs verdichtet und muß im Bereich des Zünd-OT′s gezündet werden. Dies erfolgt durch in der Ein­ blaskammer 21 eingeschlossenen Arbeitsmittels in Form eines entzünde­ ten Gas-Luft-Gemischs des letzten Arbeitstaktes. Dieses Gemisch steht unter hohem Druck und ist durch die erfolgte Verbrennung sehr heiß. Im Bereich kurz vor der gewollten Entzündung des im Arbeitsraum 7 (und auch der Vorkammer 11) befindlichen frischen Gemischs wird das Ventil 12 geöffnet, so daß das in der Einblaskammer 21 befindliche unter hohem Druck stehende heiße Gemisch in den Arbeitsraum 7 (und die Vor­ kammer 11) ausströmt und dort das frische Gemisch entzündet. Sofort nach der erfolgten Zündung wird das Ventil 12 wieder geschlossen und somit für den nächsten Arbeitszyklus wieder verbranntes, heißes Arbeitsmittel in der Einblaskammer 21 gespeichert.

Für einen Kaltstart der Brennkraftmaschine ist im übrigen die Zündvorrich­ tung 22 in Form einer Zündkerze oder eines Glühstiftes vorgesehen. Diese Zündvorrichtung 22 wird gegebenenfalls auch während der Warm­ laufphase der Brennkraftmaschine je nach Erfordernis geregelt einge­ setzt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit ei­ nem Kurbelgehäuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein Pleuel angelenkt ist, das einen Kolben trägt, der in einem von einem Zylinderkopf abgedeckten Zylinder unter Bildung eines Arbeitsraumes bewegbar ist, und wobei dem Arbeits­ raum Arbeitsmittel zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einer dem Arbeitsraum (7) zuge­ ordneten Einblaskammer (21) verdichtetes und gezündetes Arbeitsmittel speicherbar ist und zur Zündung von neu zugeführtem Arbeitsmittel in den Arbeitsraum (7) einleitbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Einblaskammer (21) zum Arbeitsraum (7) absperrendes Ventil (12) zur Einleitung des ver­ dichteten und gezündeten Arbeitsmittels vor der gewollten Zün­ dung geöffnet wird.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) nach der erfolgten Zündung geschlossen wird.

4. Brennkraftmaschine mit einem Kurbelgehäuse, in dem eine Kurbelwelle drehbar gelagert ist, an der zumindest ein Pleuel angelenkt ist, das einen Kolben trägt, der in einem von einem Zy­ linderkopf abgedeckten Zylinder unter Bildung eines Arbeitsraumes bewegbar ist, und wobei dem Arbeitsraum Arbeitsmittel zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitsraum (7) eine verdichte­ tes Arbeitsmittel aufnehmende Einblaskammer (21) zugeordnet ist, die zu dem Arbeitsraum (7) hin dicht verschließbar ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblaskammer (21) an der Innenwandung thermisch isoliert ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblaskammer (21) durch das von einem Schaltelement (13) betätigte Ventil (12) von der Vor­ kammer (11) und/oder dem Arbeitsraum (7) absperrbar ist und daß das Schaltelement (13) hydraulisch und/oder elektrisch betätigbar ist.

7. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydrauliksystem ein Hochdruck­ system ist, und daß in eine Zu- und/oder Absteuerleitung zu dem Schaltelement (13) ein Magnetventil (14) eingeschaltet ist.

8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetventil (14) einen Steuer­ schieber aufweist, der eine Hochdruckleitung (16a, 16b) in der Form beherrscht, daß die Hochdruckleitung (16a, 16b) auf eine Niederdruckleitung aufschaltbar ist.