Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors für flüssige oder gasförmige Kraftstoffe mit Zündung in einer Vorkammer, insbesondere der Vorkammer einer Vorkammerzündkerze, wobei die Vorkammer insbesondere über mehrere Überströmkanäle mit dem Hauptbrennraum verbunden ist.

Dabei wird eine Kleinmenge des Kraftstoffs in die Vorkammer eingebracht, um dort die Zündbedingungen durch Gemischanfettung zu verbessern. Als Folge der Zündung und schnellen Energieumsetzung des in der Vorkammer gebildeten Gernischs werden Fackelstrahlen erzeugt, die mit sehr hoher Austrittsgeschwindigkeit in den Hauptbrennraum gelangen, um eine sichere, schnelle und gleichmäßige Entflammung des dort vorhandenen Kraftstoff-Luft- Gernischs zu bewirken.

Einrichtungen und Verfahren zur Entflammung von insbesondere mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen bei einem Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündung und Direkteinspritzung eines flüssigen Kraftstoffs mit Erzeugung einer gewünschten Gemischanfettung in der Vorkammer sind bekannt (DE 197 14 796). Dabei wird mit einer Hochdruckeinspritzung eine zur Gemischanfettung verwendete Kleinmenge des Kraftstoffs (vorzugsweise weniger als 5 % der insgesamt zugeführten Kraftstoffmenge) während des Verdichtungshubs in eine Kolbenmulde gespritzt, wobei nachfolgend durch das Eintauchen der Vorkammer in die Kolbenmulde bei Annäherung des Kolbens an den Oberen Totpunkt (OT) der Kraftstoff weitgehend flüssig oder teilweise verdampft und mit Brennraumgas vermischt über die Überströmkanäle in die Vorkammer gefördert und dort nachfolgend, nach Anreicherung des Gernischs in der Vorkammer, durch einen Zündfunken entflammt wird. Die Hauptmenge des Kraftstoffs (vorzugsweise mehr als 95 % der Gesamtmenge) wird bei diesem Verfahren während des Ansaughubs mit der Hochdruckeinspritzung durch das gleiche Einspritzventil in den Brennraum eingespritzt.

Um für beide Einspritzvorgänge voll befriedigende Eigenschaften zu erhalten, ist es notwendig, eine Einspritzdüse mit variablen Einspritzstrahlbildern zu verwenden. Dabei muss der Einspritzstrahl zur Einspritzung der Kleinmenge während des Kompressionshubs sehr kompakt sein, wohingegen er bei der Haupteinspritzung während des Saughubs eine möglichst weit aufgefächerte Struktur aufweisen sollte. Einspritzventile mit solchen Merkmalen sind teuer und störungsanfällig.

Dazu verlangt das verwendete Hochdruck-Einspritzverfahren eine aufwändige Hochdruck-Kraftstoffpumpe mit großem Kraftstoffdurchsatz und einer Kraftstoff- Hochdruckverteilung auf die einzelnen Einspritzventile. Die für die Pumpe benötigte Antriebsleistung vermindert zudem den effektiven Wirkungsgrad bzw. die maximale Leistung des Verbrennungsmotors.

Einrichtungen und Verfahren zur Entflammung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs bei einem Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündung mit Einbringen einer Kleinmenge eines gasförmigen Kraftstoffs in die Vorkammer sind ebenfalls bekannt (DE 37 09 976, DE 100 16 558). Bei dem erstgenannten Verfahren wird die gasförmige Kleinmenge von Kraftstoff während des Verdichtungshubs des Verbrennungsmotors über einen Versorgungskanal mit Rückschlagventil in den Bereich mindestens eines Überströmkanals außerhalb der Vorkammer gebracht, wobei ein Teil dieser Menge und das magere Gemisch aus dem Hauptbrennraum gemeinsam bei teilweiser Vermischung in die Vorkammer strömen und dort gezündet werden. Von Nachteil ist hierbei, dass die Zumessung einer Kleinmenge über ein Rückschlagventil ungenau ist, und nur ein Teil der Kleinmenge vergleichsweise spät in die Vorkammer gelangt, was zu Problemen bei der Homogenisierung des Gemischs in der Vorkammer führt. Zudem ergeben sich thermische Probleme, insbesondere am Ventil.

Zur Vermeidung der vorgenannten Probleme wird bei dem Verfahren nach dem zweiten Dokument die gasförmige Zusatzmenge während des Verdichtungshubs des Verbrennungsmotors über einen dünnen kapillarähnlichen Versorgungskanal direkt der Vorkammer zugeführt. Dabei ist die Gemischbildung in der Vorkammer verbessert, aber wegen der ebenfalls nur kurzen zur Verfügung stehenden Zeit für die möglichst vollständige Mischung von Kraftstoff und Luft in der Vorkammer immer noch unbefriedigend, so dass es zu Problemen bei der Funkenzündung kommt.

Das vorzugsweise magnetisch ansteuerbare Steuerventil für die Kleinmenge wird hier zur Vermeidung von thermischen Problemen am Steuerventil in einem größeren Abstand zur Vorkammer angeordnet. Es besteht aber die Gefahr, dass sich die Zuführungsleitung des Kraftstoffs zur Vorkammer als Folge von Ablagerungen unverbrannter Gasbestandteile zusetzt. Zudem ist die Herstellung einer dünnen Kapillare aufwändig und die Anordnung eines Kapillarträgers, z.B. in Form eines zweiteiligen Rohres im Zylinderkopf, wegen der dort vorhandenen Wasser- und Luftkanäle problematisch.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Verbrennungsmotor mit Vorkammerzündung für flüssige und gasförmige Kraftstoffe die Funktionssicherheit zu verbessern, die Systemkosten zu senken und eine Verbesserung der Gemischbildung in der Vorkammer und damit eine verbesserte Zündung in der Vorkammer zu erreichen. Gleichzeitig sollen die Schadstoffemissionen sowie der Kraftstoffverbrauch vermindert werden.

Eine Lösung der Aufgabe ist ein Verbrennungsmotor für flüssige oder gasförmige Kraftstoffe mit einem Hauptbrennraum und einer Vorkammer, in der eine Zündeinrichtung vorhanden ist, der umfasst

(a) eine Einrichtung zur Bildung der Hauptmenge eines Gemischs aus Kraftstoff und Luft und dessen Einbringen in den Hauptbrennraum, (b) eine Einrichtung zur Direkteinspritzung einer ersten Kleinmenge des Kraftstoffs in den Hauptbrennraum im Wesentlichen in Richtung der Vorkammer, zur Bildung einer zweiten Menge eines Gemischs aus diesem Kraftstoff und weiterem Kraftstoff aus dem Hauptbrennraum und Luft in der Vorkammer, (c) mindestens eine Verbindungseinrichtung zwischen dem Hauptbrennraum und dem Inneren der Vorkammer. In einer bevorzugten Ausführungsform hat dieser Verbrennungsmotor in der Einrichtung (a) mindestens eine Ansauganlage mit einem Saugrohr, in dem eine Kraftstoffzuführeinrichtung, insbesondere eine Saugrohr-Kraftstoffeinspritzung, für die Zufuhr der Hauptkraftstoffmenge vorhanden ist, und wobei in der Einrichtung (b) bei flüssigem Kraftstoff ein von der Einrichtung (a) unterschiedliches oder zusätzliches Kraftstoff-Hochdrucksystem, ein Einspritzventil mit Druckverstärkung oder ein mit der Einrichtung (a) mit betriebenes gemeinsames Drucksystem gehört.

Bei gasförmigem Kraftstoff gehört in der Einrichtung (b) zur Direkteinspritzung ein von der Einrichtung (a) mit betriebenes gemeinsames Kraftstoff-Drucksystem oder ein von dieser Einrichtung getrenntes System, insbesondere mit mindestens zwei getrennten Einrichtungen, für den Kraftstoff.

Sowohl für flüssige als auch für gasförmige Kraftstoffe enthält der Verbrennungsmotor mindestens eine Verbindungseinrichtung als Überströmkanal zwischen dem Hauptbrennraum und dem Inneren der Vorkammer, bevorzugt mit mindestens einem konischen Abschnitt. Insbesondere ist die Vorkammer dabei eine Vorkammerzündkerze.

Eine weitere Lösung der Aufgabe ist eine Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors durch ein erstes Zünden eines Gemischs aus einer ersten Menge eines bei Normalbedingungen gasförmigen oder flüssigen Kraftstoffs und Luft in einer Vorkammer und ein Einbringen des so gezündeten und nachfolgend zumindest teilweise verbrannten Gemischs unter Entzünden des im Hauptbrennraum vorhandenen restlichen Kraftstoff-Luft-Gemischs. Das Verfahren ist dann dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilmenge des Kraftstoffs durch Direkteinspritzung in den Hauptbrennraum und nachfolgend durch den Kompressionsvorgang des Motors aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer gelangt und dort gemeinsam mit Teilen der beim Kompressionsvorgang aus dem Hauptbrennraum in die Vorkammer überströmenden Haupt-Kraftstoff-Luft-Gemischs das zu zündende Gemisch bildet. Dabei erfolgt die Direkteinspritzung entweder in einer frühen Phase des Kompressionsvorgangs für das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Hauptbrennraum mit einem Druck < 20 bar, insbesondere < 10 bar, oder in einer späten Phase des Kompressionsvorgangs für das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Hauptbrennraum mit einem Druck > 20 bar, insbesondere > 50 bar. Hierbei wird die erste Teilmenge des Kraftstoffs für die Direkteinspritzung einem Tank entnommen, der für die Entnahme dieser Teilmenge und für die Hauptmenge an Kraftstoff ausgebildet ist, oder diese Mengen werden aus zwei getrennten Tankteilen entnommen.

Bei einem gasförmigen Kraftstoff wird die erste Teilmenge bevorzugt aus dem zweiten separaten Tankteil entnommen, wobei das Gas Wasserstoff ist oder diesen enthält oder eine wasserstoffreiche Verbindung, insbesondere Methan, wobei der Wasserstoffgehalt im Falle einer wasserstoffreichen Verbindung wie Methan durch einen zwischen Tank und der Einrichtung zur Direkteinspritzung angeordneten Reaktor erzeugt oder erhöht wird. Der Reaktor ist insbesondere ein Plasmareaktor.

In allen Fällen wird die Gemischzusammensetzung, bevorzugt in der Vorkammer, zum Zündzeitpunkt geregelt, insbesondere durch den an der Zündeinrichtung gemessenen Ionenstrom.

Zur Verminderung der NOx-Emission kann ein Teil des Abgases des Verbrennungsmotors in das Saugrohr zurückgeführt werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Dies zeigt in:

Fig. 1 einen beispielhaften Vierzylinder- Verbrennungsmotor mit 4 Vorkammern, insbesondere Vorkammerzündkerzen, sowie 4 Einspritzventile für die Kraftstoff- r' ] Saugrohreinspritzung und 4 Einspritzventile für die Direkteinspritzung und der Kraftstoffversorgung für die insgesamt 8 Einspritzventile für den Fall der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff sowie die Kraftstoffversorgung;

Fig. 2 einen beispielhaften Vierzylinder- Verbrennungsmotor mit 4 Vorkammern, insbesondere Vorkammerzündkerzen, sowie 4 Einspritzventile für die Kraftstoff- Saugrohreinspritzung und 4 Einspritzventile für die Direkteinspritzung und der Kraftstoffversorgung für die insgesamt 8 Einspritzventile für den Fall der Einspritzung von gasförmigem Kraftstoff sowie die Kraftstoffversorgung;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Zylinder des Verbrennungsmotors, mit einer Vorkammer im vorderen Teil einer Vorkammerzündkerze, Einspritzdüse und Einspritzstrahl für die Kleinmenge von Kraftstoff (flüssig oder gasförmig), wobei der Kraftstoff in Richtung auf die Vorkammer direkt eingespritzt wird;

Fig. 4 einen Teilschnitt durch die Vorkammer für die Anordnung mit dem Einspritzstrahl für die Kleinmenge von Kraftstoff (flüssig oder gasförmig) in Richtung auf die Vorkammer, die Teil einer Vorkammerzündkerze ist.

Fig. 1 zeigt einen Vierzylinder- Verbrennungsmotor (1) mit Einrichtung zur Bildung der Hauptmenge eines Gemischs aus Kraftstoff und Luft und dessen Einbringen in den Hauptbrennraum (2), eine Einrichtung zur Direkteinspritzung einer ersten Kleinmenge des Kraftstoffs in den Hauptbrennraum (3) sowie 4 Vorkammern (4), wobei die Vorkammer insbesondere jeweils ein Teil einer Vorkammerzündkerze (41) ist, sowie 4 Einspritzventile (5) für die Saugrohreinspritzung mit einem Saugrohr (6) und 4 Einspritzventile für die Direkteinspritzung (7) für den Fall, dass für beide Einspritzungen flüssiger Kraftstoff bei niedrigem Druck aus einem gemeinsamen Drucksystem verwendet wird. Die Kraftstoffversorgung erfolgt dabei von einem Tank (8) über eine Niederdruck-Förderpumpe (9) mit parallel zwischen der Druckseite der Pumpe und dem Tank angeordnetem Druckregler (10). Die Ventile für die Saurohr- und die Kleinmengen-Direkteinspritzung (5, 7) werden über Kraftstoffleitungen (11, 12) und über Abzweigungen (13, 14) mit Kraftstoff versorgt.

Alternativ ist es hier möglich, dass für die Direkteinspritzung einer ersten Kleinmenge des Kraftstoffs (3) ein unterschiedliches oder zusätzliches Drucksystem (3 a) oder ein Einspritzventil mit Druckverstärkung (7a) verwendet wird.

Fig. 2 zeigt einen Vierzylinder Verbrennungsmotor (1) mit Einrichtung zur Bildung der Hauptmenge eines Gemischs aus Kraftstoff und Luft und dessen Einbringen in den Hauptbrennraum (2'), eine Einrichtung zur Direkteinspritzung einer ersten Kleinmenge des Kraftstoffs in den Hauptbrennraum (3') sowie 4 Vorkammern (4'), wobei die Vorkammer insbesondere jeweils ein Teil einer Vorkammerzündkerze (41 ') ist, sowie 4 Einspritz ventile (5') für die Saugrohreinspritzung und 4 Einspritzventile für die Direkteinspritzung (7') für den Fall, dass für beide Einspritzungen gasförmiger Kraftstoff aus einem getrennten System mit zwei getrennten Einrichtungen (2' und 3') verwendet wird. Die Versorgung der Einspritzventile (7') mit Kraftstoff erfolgt dabei aus einem Hochdruck-Tank (8'). Dabei wird vorteilhaft aus einem größeren Tankteil 8a' die Hauptmenge des Kraftstoffs entnommen. Die Einspritzventile für die Saugrohr¬ und die Kleinmengen-Direkteinspritzung (5', 7') werden über Kraftstoffleitungen (IT, 12') und über Abzweigungen (13', 14') mit Kraftstoff versorgt. In die Kraftstoffleitung für die Hauptmenge (H') ist zur Einstellung eines passenden Einspritzdrucks ein Reduzierventil (15) angeordnet.

Die Einspritzventile (7') für die Hochdruck-Direkteinspritzung der Kleinmenge werden aus dem kleineren Tankteil (8b') mit unter hohem Druck stehendem gasförmigem Kraftstoff versorgt. Zur Aufrechterhaltung eines ausreichend hohen Drucks für die Hochdruck-Direkteinspritzung der Kleinmenge ist zwischen einer Zuleitung (16) und der Kraftstoffleitung (12') noch eine Hochdruckpumpe (17) angeordnet. Zudem wird zur Verminderung des Leistungsbedarf der Hochdruckpumpe (17) oder dessen vorteilhafter Vermeidung zwischen dem größeren Tankteil für die Hauptmenge (8a') und dem kleineren Tankteil (8b') für die Direkteinspritzung der Kleinmenge ein Steuerventil (18) angeordnet, das beim Tankvorgang für den Tankteil für die Hauptmenge (8a') bei hohem Tankfülldruck im Tankteil (8b') geöffnet und danach wieder geschlossen wird.

Alternativ ist auch ein vereinfachtes Gesamtsystem für die Kraftstoffversorgung möglich, bei dem für die Direkteinspritzung einer ersten Kleinmenge (3a') das gleiche Drucksystem wie für die Haupteinspritzung (2') verwendet wird, wobei der Kraftstoff aus einem gemeinsamen Tank entnommen wird.

Zur Verbesserung der Zündungs- und Verbrennungseigenschaften kann bei ausgewählten wasserstoffreichen Kraftstoffen, insbesondere Methan oder Erdgas, die Kleinmenge Gas auch alternativ über eine Leitung (19) durch einen Reaktor (20) geführt werden, mit dem ein wasserstoffreiches Gas erzeugt wird, wobei vorteilhaft der Reaktor ein Plasmareaktor ist, in dem eine teilweise Umsetzung des Methan zu Wasserstoff durchgeführt wird. Auch hier kann vorteilhaft eine Hochdruckpumpe (17') verwendet werden.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Brennraum (21) eines Zylinders des Verbrennungsmotors mit Zylinderkopf (22), Motorblock (23) und Kolben (24), wobei der Einspritzstrahl (25) des Einspritzventils (7, 7a, 7', 7a') für die Kleinmenge des Kraftstoffs im Wesentlichen in Richtung auf eine Vorkammer (4, 4'), insbesondere auf den vorderen Teil des Gehäuses (26) der Vorkammer gerichtet ist, wobei die Vorkammer insbesondere die Vorkammer einer Vorkammerzündkerze (41, 41') ist. Dabei wird der Kraftstoff mit Brennraumgas vermischt über eine Vielzahl von Überströmkanälen (27), als Folge des Druckanstiegs im Brennraum beim Kompressionsvorgang, in die Vorkammer gefördert und in dieser gezündet.

Damit eine möglichst große Menge des abgespritzten Kraftstoffs über die Überströmkanäle (27) in die Vorkammer gelangt, ist der Einspritzstrahl (25) so dimensioniert, dass eine größere Anzahl der Überströmkanäle vom Kraftstoff unmittelbar getroffen wird.

Fig. 4 zeigt einen Teilschnitt durch die Vorkammer (4, 4') der Vorkammerzündkerze (41, 41'), sowie den vorderen Teil des Einspritzstrahls (25) nach Fig. 3. Dabei ist zu erkennen, dass von der Gesamtzahl der Überströmkanäle (27) nur eine Teilmenge (28) von dem direkt eingespritzten Kraftstoffstrahl getroffen wird. Die Überströmkanäle sind vorteilhaft im vorderen Teil konisch ausgebildet (29), so dass der Kraftstoff, der nicht direkt in das Innere der Vorkammer (30), aber in den konischen Bereich (29) gelangt, durch das während des Verdichtungstakts in das Innere der Vorkammer strömende Gemisch aus dem Hauptbrennraum (21) mitgerissen und in das Innere der Vorkammer (30) transportiert wird. Dabei wird durch die mit großer Geschwindigkeit in die Vorkammer eintretende Gemisch eine gute Homogenisierung und damit ein besonders gut zündfähiges Gemisch gebildet. Nach Funkenzündung dieses, gegenüber dem Gemisch im Hauptbrennraum „angefetteten" Gemischs im hier beispielhaft radial ausgebildeten Elektrodenspalt (31) im Inneren der Vorkammer (30), kommt es in der Vorkammer zu einer sehr schnellen Energieumsetzung des Kraftstoff-Luft-Gemischs, wodurch eine Vielzahl von Fackelstrahlen mit besonders hoher Austrittsgeschwindigkeit in den Hauptbrennraum hinein, erzeugt werden. Um dabei die Energieumsetzung im Zentrum des Hauptbrennraums (21) zu verbessern, ist im vorderen Bereich der Vorkammer ein weiterer Überströmkanal (32) angeordnet.

Die Gemischzusammensetzung in der Vorkammer wird vorteilhaft geregelt, wobei vorzugsweise die Gemischzusammensetzung zum Zündzeitpunkt optimal eingestellt wird. Der an den Zündelektroden nach dem Einleiten der Zündung bestimmte Ionenstrom ist dabei eine erfolgreich erprobte Größe ist, die sich zur Regelung der Kleinmenge besonders gut eignet.