Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer Einkraftstoff-Brennkraftmaschine, mit einem Gaskraftstoff. Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine und eine Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine.

Zum Betreiben einer Gaskraftstoff-Brennkraftmaschine kann das sogenannte HPDI-Verfahren (High Pressure Direct Injection) verwendet werden. Bei diesem Brennverfahren werden Me than als Gaskraftstoff und Diesel als Flüssigkraftstoff benötigt. Hierbei werden das Methan und der Diesel getrennt in einem Injektor geführt. Zuerst wird eine Pilotmasse von ca. 3 mg bis 10 mg Diesel im Bereich des oberen Totpunktes eingespritzt. Aufgrund der Eigenschaften des Diesels (geringe Zündtemperaturen) findet eine sofortige Verbrennung statt. Hierdurch erfolgt eine lokale, deutliche Temperaturerhöhung. Im zweiten Schritt wird dann die Hauptmenge an Methan eingespritzt. Durch die vorherige Temperaturerhöhung findet auch eine sofortige Ver brennung des Methans statt.

Nachteilig an diesem Verfahren kann der weiterhin benötigte Dieselkraftstoff sein, durch den die Systemkomplexität deutlich ansteigt und nicht das volle C02 Einsparpotential gehoben werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine alternative und/oder verbesserte T echnik zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Gaskraftstoff zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Wei terbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung angegeben.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer Einkraftstoff-Brennkraftmaschine. Das Verfahren weist ein Verdichten von zugeführter Luft in einer Hauptbrennkammer und einer Vorkammer (Vorbrennkammer) der Brennkraftma schine mittels Bewegung eines Kolbens in der Hauptbrennkammer zu einem oberen Totpunkt einer Kolbenbewegung des Kolbens auf. Das Verfahren weist ein Zuführen einer Pilotmenge von Gaskraftstoff (gasförmigen Kraftstoff), vorzugsweise Methan (Erdgas), in die Vorkammer, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, auf. Das Verfahren weist ein Selbstzünden der Pilotmenge von Gaskraftstoff in der Vorkammer auf. Das Verfahren weist ein Zuführen einer Hauptmenge von Gaskraftstoff in die Vorkammer nach dem Selbstzünden. Und ein Zün den der Hauptmenge von Gaskraftstoff durch die von der selbstgezündeten Pilotmenge be wirkten Bedingungen in der Vorkammer auf.

Die Erfindung ermöglicht es, eine Brennkraftmaschine rein mit Methan oder einem anderen gasförmigen Kraftstoff zu betreiben, und zwar mittels Kompressionsselbstzündung der Pilot menge. Es wird kein Dieselkraftstoff o.Ä. wie beim HPDI-Verfahren zum Zünden des Gaskraft stoffs benötigt. Die Selbstzündung der Pilotmenge führt zu einer Temperaturerhöhung und Druckerhöhung in der Vorkammer. Dadurch kann die danach zugeführte Hauptmenge von Gaskraftstoff gezündet werden. Die Hauptverbrennung selbst kann einem Dieselbrennverfah ren entsprechen oder ähnlich dazu sein.

Zweckmäßig kann die Hauptmenge zeitlich nach und beabstandet zu der Pilotmenge zuge führt werden.

In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das Verdichten mit einem Verdichtungsverhältnis von größer oder gleich ca. 20, 21 , 22 oder 23. Es wurde herausgefunden, dass sich beim gegebe nen System mit Vorkammer und Hauptbrennkammer bei einem Verdichtungsverhältnis von ca. 23 relativ sicher eine Zündtemperatur von Methan in der Vorkammer erreichen lässt, und zwar deutlich bevor der Kolben im Verdichtungstakt den oberen Totpunkt erreicht und für alle Lastsituationen der Brennkraftmaschine.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ergibt sich die Pilotmenge aus einer Pilotmasse von Gaskraftstoff zwischen ca. 0,5 mg und ca. 3 mg, vorzugsweise zwischen ca. 0,5 mg und ca. 2 mg. Es wurde herausgefunden, dass diese Kleinstmenge von Gaskraftstoff ausreichend sein kann, um eine sichere Selbstzündung der Pilotmenge zu gewährleisten.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Pilotmenge so gewählt ist, dass sich ein Ver brennungsluftverhältnis zwischen ca. 0,5 und ca. 1 ,6 in der Vorkammer einstellt. Damit kann in der Vorkammer ein brennbares Gemisch vorliegen, das selbst zünden kann.

In einer Ausführungsform wird das Zuführen der Pilotmenge für eine Zeitdauer zwischen ca. 50 ps und ca. 200 ps ausgeführt. Es wurde herausgefunden, dass bereits dieser kurze Zeit raum zum Zuführen der kleinen Pilotmenge ausreichen kann. Das kurze Zeitfenster ermöglicht eine besonders genaue Erreichung eines gewünschten Zündzeitpunkts. In einer weiteren Ausführungsform wird das Zuführen der Pilotmenge in einem Bereich zwi schen ca. 40°KW (Kurbelwinkel) vor dem oberen Totpunkt und ca. 10°KW vor dem oberen Totpunkt ausgeführt. Es wurde herausgefunden, dass dieser Kurbelwinkelbereich besonders geeignet ist. Einerseits kann eine gute Durchmischung zwischen der Pilotmenge und der ver dichteten Luft erfolgen. Andererseits erfolgt die Selbstzündung und die daran anschließende exotherme Reaktion zu einem Zeitpunkt vor der Zuführung der Hauptmenge. Zum Zeitpunkt der Zuführung der Hauptmenge liegen daher bereits Bedingungen in der Vorkammer vor, die zum Zünden der Hauptmenge genügen.

In einer Ausführungsvariante wird das Zuführen der Hauptmenge in einem Bereich zwischen ca. 10°KW vor dem oberen Totpunkt und ca. 25°KW nach dem oberen Totpunkt ausgeführt. So kann eine dem Dieselverfahren angenäherte oder ähnliche Verbrennung des Gaskraftstoffs im Expansionstakt stattfinden.

In einer weiteren Ausführungsvariante erfolgt das Zuführen der Pilotmenge und/oder das Zu führen der Hauptmenge mit einem Zuführdruck in einem Bereich zwischen ca. 200 bar und ca. 600 bar. Damit kann eine sichere und schnelle Zuführung des Gaskraftstoffs auch bei sehr hohen Verdichtungsenddrücken, z. B. bewirkt durch das vergleichsweise hohe Verdichtungs verhältnis, erreicht werden.

Zweckmäßig werden die Pilotmenge und/oder die Hauptmenge direkt in die Vorkammer zuge führt, vorzugsweise eingeblasen.

In einem Ausführungsbeispiel erfolgt das Zuführen der Pilotmenge und/oder das Zuführen der Hauptmenge durch einen Piezo-Kraftstoffinjektor. Im Vergleich zum eingangs genannten HPDI-Brennverfahren liegt durch den Entfall des Dieselkraftstoffs kein Medium zum Steuern eines konventionellen Magnetinjektors vor. Prinzipiell wäre es zwar auch möglich, einen Mag netventilaktuator mit verdichtetem Gaskraftstoff zu betreiben, jedoch können sich dabei sehr hohe Leckage und Absteuermengen ergeben. Daher wird vorgeschlagen, einen Piezo-Kraft stoffinjektor zu verwenden. Hierbei kann die Nadelbewegung bspw. nur über ein Piezoelement des Piezo-Kraftstoffinjektors gesteuert werden und es treten keine Absteuerverluste an Gas kraftstoff auf. Ein weiterer Vorteil des Piezo-Kraftstoffinjektors kann die Möglichkeit der Kleinst- mengenregelung sein. Der Piezo-Kraftstoffinjektor kann ermöglichen, sehr kurze Zufuhrdau ern von bspw. 50 ps bis 200 ps und damit auch sehr kleine Zufuhrmengen von bspw. 0,5 mg bis 3 mg sehr stabil darzustellen. In einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt das Zuführen der Pilotmenge und/oder das Zu führen der Hauptmenge durch einen mittels eines Elektromagnets betätigten Kraftstoff! njektor.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner ein Anpassen der Pilot menge und/oder ein Anpassen eines Zuführzeitpunkts der Pilotmenge in Abhängigkeit von einem Ladedruck der zugeführten Luft auf. Die Pilotmenge kann bspw. so angepasst werden, dass sich ein Verbrennungsluftverhältnis l zwischen ca. 0,5 und ca. 1 ,6 in der Vorkammer einstellt. Die Pilotmenge kann bspw. bei hoher Last oder hohem Ladedruck vorgezogen wer den.

In einer Ausführungsform weist eine Innenseitenfläche der Vorkammer einen thermischen Iso lator auf, vorzugsweise in Form einer thermisch isolierenden Beschichtung. Der thermische Isolator kann einen Wärmeübergang zwischen der Vorkammer und dem Gaskraftstoff mini mieren.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Schritt des Selbstzündens der Pilotmenge von Gaskraftstoff in der Vorkammer während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine (zum Beispiel im Leerlauf, unter Teillast und/oder unter Volllast) durchgeführt. Zweckmäßig wird im Normalbetrieb keine Zündkerze oder Glühkerze zum Zünden oder Unterstützen eines Zün dens der Pilotmenge verwendet.

In einer Ausführungsvariante weist das Verfahren ferner ein Fremdzünden der Pilotmenge in der Vorkammer durch eine Zündkerze bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine auf. Alter nativ kann das Verfahren bspw. ein Vorheizen der Vorkammer durch eine Glühkerze und Selbstzünden der Pilotmenge von Gaskraftstoff in der vorgeheizten Vorkammer vorzugsweise bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine aufweisen. So kann auch unter Kaltstartbedingun gen eine sichere Zündung des Gaskraftstoffs gewährleistet werden.

In einer weiteren Ausführungsvariante erfolgt das Zuführen der Pilotmenge und/oder das Zu führen der Hauptmenge gasförmig und/oder durch denselben Kraftstoffinjektor, zweckmäßig über die gleiche Leitung des Kraftstoffinjektors.

In einem Ausführungsbeispiel weist die Vorkammer ein Volumen in einem Bereich zwischen ca. 0,5 cm ³ und ca. 2 cm ³ auf. Ein derartig geringes Volumen kann ausreichend sein, um die sehr geringe Pilotmenge von Gaskraftstoff zusammen mit der verdichteten Luft sicher zum Selbstzünden zu bringen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Vorkammer durch mehrere Durchgangsöffnun gen, vorzugweise 6 bis 14 verteilt angeordnete Durchgangsöffnungen, mit der Hauptbrenn kammer verbunden.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Vorkammer in einem Kraftstoff! njektor für die Pilotmenge und/oder die Hauptmenge integriert oder die Vorkammer ist separat zu einem Kraftstoff! njektor für die Pilotmenge und/oder die Hauptmenge ausgebildet.

Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine, die zum Ausführen eines Verfahrens wie hierin offenbart ausgeführt ist.

Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Nutzfahrzeug (zum Beispiel Lastkraftwagen oder Omnibus), mit einer Brennkraftmaschine, die zum Ausführen eines Ver fahrens wie hierin offenbart ausgeführt ist.

Zweckmäßig kann die Brennkraftmaschine eine vorzugsweise elektronische Steuereinheit auf weisen, die zum Ausführen des Verfahrens eingerichtet ist.

Vorzugsweise kann sich der Begriff„Steuereinheit“ auf eine Elektronik (z. B. mit Mikroprozes soren) und Datenspeicher) beziehen, die je nach Ausbildung Steuerungsaufgaben und/oder Regelungsaufgaben übernehmen kann. Auch wenn hierin der Begriff „Steuern“ verwendet wird, kann damit gleichsam zweckmäßig auch„Regeln“ bzw.„Steuern mit Rückkopplung“ um fasst sein.

Es ist auch möglich, das Verfahren und die Vorrichtung wie hierin offenbart für Personenkraft wagen, Großmotoren, geländegängige Fahrzeuge, stationäre Motoren, Marinemotoren usw. zu verwenden.

Die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung; und

Figur 2 eine Schnittansicht durch einen beispielhaften Zylinderkopf; Figur 3 ein Kurbelwinkel-Temperaturdiagramm für einen Leerlauf und zwei unterschiedli che Verdichtungsverhältnisse; und

Figur 4 ein Kurbelwinkel-Temperaturdiagramm für eine Volllast und zwei unterschiedliche

Verdichtungsverhältnisse.

Die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen stimmen zumindest teilweise überein, so dass ähnliche oder identische Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und zu deren Erläuterung auch auf die Beschreibung der anderen Ausführungsformen bzw. Figuren verwiesen wird, um Wiederholungen zu vermeiden.

Die Figur 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10. Die Brennkraftmaschine 10 ist als eine Hubkol- ben-Brennkraftmaschine ausgeführt. Zweckmäßig ist die Brennkraftmaschine 10 als eine Vier- takt-Brennkraftmaschine ausgeführt. Die Brennkraftmaschine 10 weist einen oder mehrere Zy linder auf. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit ist lediglich ein Zylinder in Figur 1 darge stellt. Die Brennkraftmaschine 10 ist besonders bevorzugt als eine Einkraftstoff-Brennkraftma- schine zum Betreiben mittels Methan (Erdgas) als einzigen Kraftstoff ausgeführt. Die Brenn kraftmaschine 10 kann allerdings bspw. auch mit einem anderen gasförmigen Kraftstoff betrie ben werden, z. B. Wasserstoff.

Die Brennkraftmaschine 10 kann in einem Fahrzeug, z. B. einem Kraftfahrzeug, einem Schie nenfahrzeug oder einem Wasserfahrzeug, zum Antreiben des Fahrzeugs umfasst sein. Vor zugsweise ist die Brennkraftmaschine 10 in einem Nutzfahrzeug, z. B. einem Lastkraftwagen oder Omnibus, zum Antreiben des Nutzfahrzeugs umfasst. Es ist auch möglich, die Brenn kraftmaschine 10 in einer stationären Anlage z. B. zum Antreiben eines Generators zu ver wenden.

Die Brennkraftmaschine 10 weist je Zylinder mindestens einen Lufteinlasskanal 12, mindes tens einen Abgasauslasskanal 14, eine Hauptbrennkammer 16, einen Kolben 18, einen Kraft stoffinjektor 20, eine Vorkammer (Vorbrennkammer) 22 und einen Zylinderkopf 24 auf.

Der Lufteinlasskanal 12 mündet in die Hauptbrennkammer 16. Über den Lufteinlasskanal 12 kann (Lade-)Luft zu der Hauptbrennkammer 16 zugeführt werden. Der Lufteinlasskanal 12 ist in dem Zylinderkopf 24 angeordnet. Der Zylinderkopf 24 begrenzt die Hauptbrennkammer 16 von oben. Stromaufwärts des Lufteinlasskanals 12 kann ein Luftzuführsystem angeordnet sein. Das Luftzuführsystem kann je nach Anforderung bspw. einen oder mehrere Verdichter einer Turboladerbaugruppe, einen Ladeluftkühler und/oder eine Abgasrückrührleitung aufwei sen.

Eine Mündungsöffnung des Lufteinlasskanals 12 in die Hauptbrennkammer 16 ist mittels eines Lufteinlassventils 26 zu öffnen und zu schließen. Das Lufteinlassventil 26 ist vorzugsweise als ein Tellerventil ausgeführt. Das Lufteinlassventil 26 kann mittels jeglicher Technik betätigt wer den, z. B mittels eines zweckmäßig variablen Ventiltriebs.

Nach der Verbrennung verlässt das Abgas die Hauptbrennkammer 16 durch den mittels eines Abgasauslassventils 28 geöffneten Abgasauslasskanal 14. Das Abgasauslassventil 28 kann bspw. als ein Tellerventil ausgeführt sein. Der Abgasauslasskanal 14 ist in dem Zylinderkopf 24 angeordnet. Stromabwärts des Abgasauslasskanals 14 kann ein Abgassystem angeordnet sein. Das Abgassystem kann bspw. eine oder mehrere Abgasturbinen einer Turboladerbau gruppe und/oder mindestens eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung aufweisen.

Der Kolben 18 ist hin- und her bewegbar in dem Zylinder angeordnet. Der Kolben 18 ist über einen Pleuel 30 mit einer Kurbelwelle 32 verbunden. Der Kolben 18 begrenzt die Hauptbrenn kammer 16 nach unten. Der Kolben 18 kann Luft in der Hauptbrennkammer 16 bei seiner Bewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt verdichten. Das Verdichtungsverhält nis e kann hierbei vergleichsweise hoch sein. Das Verdichtungsverhältnis e kann bspw. 23 oder größer sein.

Der Kraftstoffinjektor 20 ist als ein Gaskraftstoff-Injektor, vorzugsweise ein Methan-Injektor, ausgebildet. Der Kraftstoffinjektor 20 ist als ein Einkraftstoff- Injektor zum Führen eines einzi gen Kraftstoffs ausgebildet. Der Kraftstoffinjektor 20 ist so angeordnet oder ausgeführt, dass Gaskraftstoff in die Vorkammer 22 zugeführt wird. Vorzugsweise bläst der Kraftstoffinjektor 20 den Gaskraftstoff gasförmig in die Vorkammer 22 ein. Der Kraftstoff! njektor 20 ist zweckmäßig zentral bezüglich der Hauptbrennkammer 16 angeordnet.

Die Zuführung durch den Kraftstoffinjektor 20 erfolgt zweckmäßig mit einem hohen Druck, zum Beispiel in einem Bereich zwischen 200 bar und 600 bar. Bspw. kann der Kraftstoffinjektor 20 mit einem Gaskraftstoff-Common-Rail fluidisch verbunden sein. Das Gaskraftstoff-Common- Rail kann Gaskraftstoff zu dem Kraftstoff! njektor 20 zuführen.

Der Kraftstoffinjektor 20 ist dazu ausgebildet eine Pilotmenge und eine Hauptmenge von Gas kraftstoff zu unterschiedlichen Zeitpunkten in die Vorkammer 22 zuzuführen. Der Kraftstoffin- jektor 20 kann auf jegliche Art und Weise betätigt sein. Um auch ein Zuführen von Kleinstmen- gen von Gaskraftstoff zu ermöglichen, ist der Kraftstoffinjektor 20 vorzugsweise ein Piezo- Kraftstoffinjektor, der mittels eines Piezoelements betätigbar ist. Z. B. kann sich eine Ver schlussnadel des Kraftstoff! njektors 20 in Abhängigkeit von einem Zustand eines Piezo elements bzw. Piezokristalls des Kraftstoffinjektors 20 heben oder senken. Es ist bspw. auch möglich, dass der Kraftstoffinjektor 20 mittels eines Elektromagneten betätigbar ist. Zweckmä ßig ist eine Betätigung des Kraftstoff! njektors 20 durch eine elektronische Steuereinheit 34 gesteuert.

Die Vorkammer 22 kann in dem Kraftstoffinjektor 20 integriert sein, wie in Figur 1 angedeutet ist. Es ist allerdings auch möglich, die Vorkammer 22 separat zu dem Kraftstoff! njektor 20 auszubilden, wie in Figur 2 dargestellt ist. Der Kraftstoff! njektor 20 kann dann bspw. direkt in die Vorkammer 22 münden. Bei getrennter Ausbildung von Vorkammer 22 und Kraftstoffinjek tor 20 kann die Vorkammer z. B. zumindest teilweise durch den Zylinderkopf 24, durch ein an der Brennraumseite des Zylinderkopfes 24 angebrachtes Kappenelement 36 (siehe Figur 2) und/oder durch eine Montagehülse 38 (siehe Figur 2) für den Kraftstoffinjektor 20 gebildet sein. Bei Verwendung des Kappenelements 36 kann dieses bspw. von unten in die Montagehülse 38 eingeschraubt sein.

Die Vorkammer 22 kann bspw. ein kugeliges, domförmiges oder abgerundetes Innenvolumen aufweisen. Der Gaskraftstoff ist mittels des Kraftstoff! njektors 20 in das Innenvolumen zuführ- bar. Das Innenvolumen kann zweckmäßig in einem Bereich zwischen 0,5 cm ³ und 2,5 cm ³ liegen.

Die Vorkammer 22 ist über mehrere Durchgangsöffnungen mit der Hauptbrennkammer 16 in Fluidverbindung. Die Durchgangsöffnungen sind zweckmäßig symmetrisch verteilt um einen Umfang der Vorkammer 22 verteilt angeordnet. Bspw. sind sechs bis vierzehn Durchgangs öffnungen umfasst.

Es ist möglich, dass eine Innenseitenfläche der Vorkammer 22 einen thermischen Isolator 40 aufweist. Der thermische Isolator 40 kann zweckmäßig als eine Beschichtung der Innensei tenfläche ausgeführt sein. Bspw. kann der thermische Isolator 40 aus einem keramischen Ma terial bestehen. Es ist möglich, dass der thermische Isolator 40 bspw. auf die Innenseitenfläche aufgedampft ist, mittels Plasmaauftragen auf die Innenseitenfläche aufgetragen ist oder mittels eines Spritzverfahrens auf die Innenseitenfläche aufgespritzt ist. Der thermische Isolator 40 kann ein Kühlen von Gaskraftstoff in der Vorkammer 22 durch Wände der Vorkammer 22 ver hindern oder zumindest verringern.

In einem Einlasstakt wird Luft durch den Lufteinlasskanal 12 und das geöffnete Lufteinlass ventil 26 in die Hauptbrennkammer 16 zugeführt. Der Kolben 18 bewegt sich vom oberen Tot punkt zum unteren Totpunkt. Im Verdichtungstakt wird die zugeführte Luft in der Hauptbrenn kammer 16 mit einem hohen Verdichtungsverhältnis (z. B. e > 23) verdichtet. Die Luft wird dabei auch in der Vorkammer 22 verdichtet. Der Kolben 18 bewegt sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt. Während des Verdichtungstaktes wird die Luft in die Vorkammer 22 durch den Kolben 18 aufgrund der Kompression gedrückt. Im Verdichtungstakt steigen ein Druck und eine Temperatur in der Vorkammer 22 an.

Die Figur 3 zeigt ein beispielhaftes Kurbelwinkel-Temperatur-Diagramm für die Vorkammer 22 für zwei unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse e im Leerlauf der Brennkraftmaschine 10. Der Kurbelwinkel der Kurbelwelle 32 ist auf der Abszisse dargestellt. Die Temperatur in der Vorkammer 22 ist auf der Ordinate dargestellt.

Eine erste Temperaturkurve A (gestrichelte Kurve in Figur 3) ergibt sich bei einem Verdich tungsverhältnis von e = 16. Eine zweite Temperaturkurve B (durchgezogene Kurve in Figur 4) ergibt sich bei einem Verdichtungsverhältnis von e = 23. Es ist ersichtlich, dass die Verdich tungsendtemperatur mit höherem Verdichtungsverhältnis ansteigt. Ferner ist ersichtlich, dass bei einem Verdichtungsverhältnis von e = 23 eine Zündtemperatur von Methan (ca. 640°C) selbst im Leerlauf deutlich vor dem oberen Totpunkt (0° KW) erreicht wird. Bei einem Verdich tungsverhältnis von e = 23 können also Selbstzündungsbedingungen für Methan in der Vor kammer 22 erzeugt werden, bevor der Kolben 18 den oberen Totpunkt erreicht.

Die Figur 4 zeigt ein beispielhaftes Kurbelwinkel-Temperatur-Diagramm für die Vorkammer 22 für zwei unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse e unter Volllast der Brennkraftmaschine 10. Der Kurbelwinkel der Kurbelwelle 32 ist wiederum auf der Abszisse dargestellt. Die Tempera tur in der Vorkammer 22 ist wiederum auf der Ordinate dargestellt.

Eine erste Temperaturkurve C (gestrichelte Kurve in Figur 4) ergibt sich bei einem Verdich tungsverhältnis von e = 16. Eine zweite Temperaturkurve D (durchgezogene Kurve in Figur 4) ergibt sich bei einem Verdichtungsverhältnis von e = 23. Es ist ersichtlich, dass die Verdich tungsendtemperatur mit höherem Verdichtungsverhältnis ansteigt. Ferner ist ersichtlich, dass io

gegenüber dem Leerlauf (siehe Figur 3) die Zündtemperatur von Methan beim hohen Verdich tungsverhältnis von e = 23 noch früher erreicht werden kann.

Gegen Ende des Verdichtungstaktes wird eine Pilotmenge von Gaskraftstoff von dem Kraft stoffinjektor 20 in die Vorkammer 22 mit hohem Druck zugeführt, vorzugsweise eingeblasen. Die Pilotmenge wird in einem Bereich zwischen 40°KW vor dem oberen Totpunkt und 10°KW vor dem oberen Totpunkt zugeführt. Das vergleichsweise frühe Einblasen der Pilotmenge er möglicht eine gute Durchmischung von Gaskraftstoff und einströmender Luft in der Vorkammer 22. Die Pilotmenge ist sehr gering. Z. B. wird lediglich 0,5 mg bis 3 mg Gaskraftstoff als Pilot menge in die Vorkammer eingeblasen. Die Zuführzeitdauer für die Pilotmenge ist dabei sehr gering, z. B. nur 50 ps bis 200 ps. Die Pilotmenge ist so gewählt, dass sich ein brennbares Gaskraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer 22 bildet, z. B. mit einem Verbrennungsluftver hältnis von l = 0,6 bis 1 ,6.

Aufgrund der in der Vorkammer 22 herrschenden hohen Temperatur (siehe Figuren 3 und 4) zündet das Gaskraftstoff-Luft-Gemisch selbst. Nach dem Erreichen der Zündtemperatur des Gaskraftstoffs findet in der Vorkammer 22 eine exotherme Verbrennungsreaktion statt. Der Druck und die Temperatur in der Vorkammer 22 steigen. Heißes Gas wird aus der Vorkammer 22 durch die Durchgangsöffnungen in die Hauptbrennkammer 16 gedrückt.

Es folgt eine Zuführung einer Hauptmenge von Gaskraftstoff in die Vorkammer 22 durch den Kraftstoffinjektor 20. Die Hauptmenge des Gaskraftstoffs wird bspw. in einem Bereich zwi schen 10°KW vor dem oberen Totpunkt und 25°KW nach dem oberen Totpunkt in die Vorkam mer 22 zugeführt. Der Gaskraftstoff kann kontinuierlich über einen Kurbelwinkelbereich von rund 25°KW zugeführt werden. Der Gaskraftstoff der Hauptmenge entzündet sich an dem hei ßen Gas in und um die Vorkammer 22. Es erfolgt eine dem HPDI-Verfahren- und Dieselprinzip ähnliche Verbrennung in der Hauptbrennkammer 16 im Arbeitstakt bzw. Expansionstakt der Brennkraftmaschine 10.

Es ist möglich, dass unter Kaltstartbedingungen der Brennkraftmaschine 10 eine unterstütze Selbst- oder Fremdzündung des Gaskraftstoffs bewirkt wird. Die Selbstzündung der Pilot menge kann bspw. durch eine Glühkerze, die in die Vorkammer 22 ragt, unterstützt werden. Es kann auch eine Fremdzündung durch eine Zündkerze, die in die Vorkammer ragt, bewirkt werden. Die Glühkerze oder Zündkerze wird vorzugsweise nur unter Kaltstartbedingungen der Brennkraftmaschine 10 verwendet. Es ist auch möglich, dass die Pilotmenge von Gaskraftstoff mengenmäßig anpassbar ist in Abhängigkeit von dem Ladedruck. So kann bspw. bei einem hohen Ladedruck eine größere Pilotmenge zugeführt werden als bei einem niedrigen Ladedruck. Die Pilotmenge kann bspw. so angepasst werden oder festgelegt sein, dass sich ein Verbrennungsluftverhältnis l zwi- sehen ca. 0,5 und ca. 1 ,6 in der Vorkammer 22 einstellt.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen. Insbesondere sind die einzelnen Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 jeweils unabhängig voneinander offenbart. Zusätzlich sind auch die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 offenbart. Alle Bereichsangaben hierin sind derart offenbart zu verstehen, dass gleichsam alle in den jeweiligen Bereich fallenden Werte einzeln offenbart sind, z. B. auch als jeweils bevorzugte engere Außengrenzen des jeweiligen Be reichs.

Bezugszeichenliste

10 Brennkraftmaschine

12 Lufteinlasskanal

14 Abgasauslasskanal

16 Hauptbrennkammer

18 Kolben

20 Kraftstoff! njektor

22 Vorkammer (Vorbrennkammer)

24 Zylinderkopf

26 Lufteinlassventil

28 Abgasauslassventil

30 Pleuel

32 Kurbelwelle

34 Steuereinheit

36 Kappenelement

38 Montagehülse

40 Thermischer Isolator

A-D Temperaturkurven