CH683938A5

CH683938A5 - Verfahren und Einrichtung für die Versorgung von Ottomotoren mit Magergemischen.

Info

Publication number: CH683938A5
Application number: CH186191A
Authority: CH
Inventors: Beat Frei
Original assignee: Beat Frei
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1994-06-15

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Gemischaufbereitung und die Versorgung von Ottomotoren mit mageren Brennstoff-Luft-Gemischen variabler Zusammensetzung, wobei flüssiger Brennstoff einem Zerstäuber in einer Mischkammer mit einem Lufteintritt und einem an die Ansaugleitung des Ottomotors angeschlossenen Gemischaustritt zugeführt wird.

Kraftfahrzeuge mit Benzinmotorantrieb werden heute mit dem bekannten geregelten Dreiweg-Kata-lysator serienmässig ausgerüstet, um die gesetzlichen Vorschriften in bezug auf die zulässigen Schadstoffgrenzwerte einzuhalten.

Im Rahmen der anhaltenden Diskussionen über Massnahmen zur Verringerung der Schadstoffemission wird auch das sogenannte Magerkonzept genannt. Der Betrieb von Benzinmotoren mit mageren Brennstoffgemischen mit einem bedeutenden Luft-überschuss nach dem Magerkonzept bietet die Möglichkeit, die Schadstoffemission zu verringern und zugleich den Brennstoffverbrauch zu senken. Damit könnte der Dreiweg-Katalysator sich erübrigen und der Benzinmotor verbrauchsoptimiert ausgelegt werden.

Das Interesse für die Entwicklung von sogenannten Magermotoren bzw. Magergemischmotoren d.h. Ottomotoren, die mit überstöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnissen (Lambda-Werte viel grösser als 1) arbeiten, geht deutlich aus zahlreichen Veröffentlichungen hervor. Ein Artikel von G. Lech und V. Harms in der Fachzeitschrift «Motortechnische Zeitschrift», 47 (1986) 10, S. 423-427 betrifft die Probleme der Magerverbrennung bei veränderlichen Luftverhältnissen (Lambda Werten) bis 1,7.

Die Erfordernisse für den Fahrzeugbetrieb mit Magermotoren sind jedoch besonders streng und teilweise widersprüchlich.

Es wurden verschiedene Einrichtungen für die Aufbereitung von Brennstoff-Luft-Gemischen vorgeschlagen und in diesem Zusammenhang werden die folgenden Patente und veröffentlichte Patentanmeldungen beispielsweise genannt: US 4 353 848, US 4 469 075, GB 1 588 856, DE 2 809 066 A1, DE 3 024 181 A1, WO 84/03735 A1, WO 83/04282 A1, WO 85/00412, CH 663 823, CH 606 784, EP 0 209 073 A2 und EP 0 208 802 A1.

Es hat sich erwiesen, dass für die einwandfreie Verbrennung in Magermotoren, der flüssige Brennstoff in extrem feine Tropfen von höchstens 20 Mikron zerstäubt und sehr gleichmässig verteilt werden muss, um homogene zündfähige Brennstoff-Luft-Gemische zu erzielen.

Die Erfüllung der erwähnten Bedingungen für die einwandfreie Verbrennung durch weitgehende Zerstäubung und gleichmässige Tropfenverteilung ist jedoch bei veränderlichen Betriebsbedingungen insofern besonders problematisch, als bei transienten Betriebszuständen die erforderliche Gemischzusammensetzung nicht gewährleistet werden kann, wenn unkontrollierte Brennstoffmengen im Gemisch mitgeführt werden. Deshalb sind einerseits die einwandfreie Brennstoffregelung bei veränderlichen Luftmengen und andererseits die Verwendung von möglichst einfachen technischen Mitteln von kritischer Bedeutung für den störungsfreien Dauer betrieb von Kraftfahrzeugen.

Die Erfindung hat als Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit möglichst einfachen und betriebssicheren technischen Mitteln durchgeführt werden kann und den oben erwähnten Problemen weitgehend Rechnung trägt und die befriedigende Gemischaufbereitung und die Versorgung von Ottomotoren mit mageren Brenn-stoff-Luft-Gemischen variabler Zusammensetzung im gesamten Betriebsbereich des Ottomotors sicherstellt.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen gelöst.

Beim erfindungsgemässen Verfahren für die Versorgung von Ottomotoren mit mageren Gemischen variabler Zusammensetzung erfolgt die Gemischbildung im wesentlichen bei Umgebungsdruck, wobei die Mischkammer mit dem Zerstäuber einen aerodynamisch günstigen Strömungsweg zwischen dem Lufteintritt und dem Gemischaustritt begrenzt und mit einer Regelklappe ausgerüstet ist, die in Wirkverbindung mit einem Brennstoff-Dosierventil in einem im voraus abgegrenzten, bevorzugten Betriebsbereich geregelt wird, in dem der Ottomotor mit mageren Gemischen variabler Zusammensetzung arbeitet.

Ferner werden erfindungsgemäss dem Zerstäuber über das Brennstoff-Dosierventil dosierte Brennstoffmengen zugeführt, die der jeweils verlangten Motorleistung entsprechend so anpasst werden, dass der Ottomotor in dem genannten Betriebsbereich betrieben werden kann.

In Verbindung mit dem Dosierventil wird mit Hilfe der Regelklappe die Zusammensetzung des Ge-mischs fortlaufend der jeweils verlangten Leistung beim entsprechenden Betriebspunkt so angeglichen, dass die Gemischbildung und der Transport des Gemischs in der Ansaugleitung des Ottomotors annähernd bei Umgebungsdruck erfolgen kann.

Der Bereich für den Betrieb des Ottomotors mit mageren Gemischen variabler Zusammensetzung und möglichst hohem Luftüberschuss kann vorzugsweise dadurch im voraus abgegrenzt werden, dass bei unterschiedlichen Drehzahlen und Lasten der Betriebsbereich des Ottomotors schrittweise abgetastet wird, wobei man jeweils den Brennstoffverbrauch, die Gemisch- und Abgas-Zusammenset-zung und den Ansaugdruck ermittelt, die Regelklappe verstellt und ein Motorkennfeld aufstellt, das die optimale Stellung der Regelklappe bei entsprechenden Betriebspunkten festlegt, so dass beim Betrieb mit möglichst hohem Luftüberschuss im genannten Betriebsbereich des Ottomotors die Gemischaufbereitung und Versorgung des Ottomotors im wesentlichen bei Umgebungsdruck erfolgt, der Brennstoffverbrauch verringert und die Schadstoffemission herabgesetzt werden kann.

Mit diesem Verfahren werden vorzugsweise Gemische mit einer Luftüberschusszahl aufbereitet, die mindestens 1,4 beträgt.

Die vom Verbrennungsmotor jeweils angesaugte Luftmenge kann andererseits entweder direkt, bei5

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spielsweise mit Hilfe eines Hitzdrahtanemometers, oder indirekt über den gemessenen Ansaugdruck, die Temperatur und die Motordrehzahl genau ermittelt werden.

Die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs wird vorteilhaft unabhängig von der Luftmenge mit einem rotierenden Zerstäuber mit Motorantrieb durchgeführt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Gemischbildungseinrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, welche die im Anspruch 6 definierte Kombination von Merkmalen aufweist.

Die Einrichtung für die Durchführung des erfin-dungsgemässen Verfahrens ist im wesentlichen mit einem Zerstäuber ausgerüstet, der aus einem Becher mit einem zentralen Hohlstutzen, einer Verteilplatte und einem Steigzylinder mit einer oberen Sprühkante besteht, auf einer Antriebswelle montiert und mit einem Antriebsmotor verbunden ist.

Ferner ist eine zentrale Vorkammer im Hohlstutzen vorgesehen, die an einem Ende offen ist, am anderen Ende einen Boden aufweist und in Verbindung mit der oberen Verteilfläche der Verteilplatte steht. Zudem ist ein feststehendes Brennstoff-Zu-flussrohr mit einem geregelten Brennstoff-Dosier-ventil ausgerüstet, wobei sein freies Ende axial in die Vorkammer berührungsfrei hineinragt und seine feststehende Austrittsöffnung in einem axialen Abstand vom Boden der Vorkammer zentral angeordnet ist, so dass der Brennstoff aus dieser Öffnung ungehindert austreten kann. Ferner ist eine Regelklappe mit einem Stellmotor vorgesehen, so dass in Verbindung mit dem Brennstoff-Dosierventil mit Hilfe dieser Regelklappe die Zusammensetzung des Gemischs fortlaufend einer verlangten Leistung bei einem entsprechenden Betriebspunkt so angeglichen werden kann, dass die Gemischbildung und der Transport des Gemischs in der Ansaugleitung annähernd bei Umgebungsdruck erfolgen kann.

Diese Gemischbildungseinrichtung hat einen relativ einfachen Aufbau und umfasst im wesentlichen ein Brennstoff-Dosierventil in einem Zuflussrohr, einen rotationssymmetrischen Zerstäuber mit einem Antriebsmotor und einer Antriebswelle sowie eine Regelklappe mit einem Stellmotor.

Dank der erfindungsgemäss vorgesehenen Anordnung und dem Zusammenwirken des freiliegenden zentralen Auslaufs des Zuflussrohrs mit dem Boden der Vorkammer im Hohlstutzen des rotierenden Zerstäubers, kann der flüssige Brennstoff durch das Dosierventil im Zuflussrohr auf den gewünschten Durchfluss genau geregelt werden und dann frei austreten bzw. durch Fliehkraft vom Zerstäuber fortlaufend abgeführt und zerstäubt werden.

Durch diese spezielle Anordnung und Wirkungsweise, erfolgt die Regelung der Brennstoffmenge unabhängig von der Zerstäubung, wobei diese Funktionen fortlaufend unmittelbar aufeinanderfolgen und mit sehr einfachen Mitteln erzielt werden.

Dadurch wird es nun möglich, die Brennstoffmenge im entstehenden Gemisch unabhängig von der Luftmenge zu regeln und damit in Verbindung mit dem Dosierventil mit Hilfe der Regelklappe die Gemischzusammensetzung nach Wunsch genau einzustellen und zu variieren bzw. der jeweils verlangten Leistung so anzugleichen, dass die Gemischbildung und der Transport des Gemischs in der Ansaugleitung annähernd bei Umgebungsdruck erfolgen kann.

Eine feststehende Verkleidung ist vorzugsweise für die Halterung des Zerstäuberbechers so vorgesehen, dass sie mit der Wandung der Mischkammer einen Ringkanal zwischen dem Lufteintritt und dem Gemischaustritt bildet.

Die Wandung der Mischkammer ist vorteilhaft mit einem Heizmantel so versehen, dass auftreffende Brennstofflropfen abdampfen.

Ferner ist die Regelklappe vorteilhaft im Bereich des Gemischaustritts der Mischkammer angeordnet.

Das freie Ende der Antriebswelle kann vorzugsweise im Hohlstutzen angebracht sein, wobei es ein axiales Sackloch aufweist, das die zentrale Vorkammer mit dem genannten Boden bildet.

Bei einer bevorzugten Ausführung bildet die Antriebswelle mit dem Hohlstutzen eine ringförmige Zwischenkammer, die über eine erste radiale Bohrung mit der zentralen Vorkammer und über eine zweite radiale Bohrung mit der genannten Verteilplatte in Verbindung steht, wobei diese Bohrungen einander diametral gegenüberliegen.

Der Antriebsmotor kann unterhalb des Zerstäuberbechers und mit diesem innerhalb der Verkleidung angeordnet sein, wobei die Sprühkante freisteht und den Brennstoff radial absprüht, so dass er sich mit der angesaugten Luft im genannten Ringkanal vermischt.

Bei dieser Anordnung ist der Zerstäuberbecher vorzugsweise von einer Haube abgedeckt, die sich vom Lufteintritt der Mischkammer in Richtung der Sprühkante erweitert, so dass die angesaugte Luft ungehindert dem Ringkanal zugeführt wird.

Der Austritt der Mischkammer ist vorzugsweise dem Anschluss an die Ansaugleitung des Ottomotors angepasst, so dass der Transport des Brenn-stoffgemischs zum Ottomotor mit unerheblichem Druckverlust erfolgen kann.

Die Gemischbildungseinrichtung weist vorzugsweise eine Datenverarbeitungseinheit mit einer Mikroprozessor-Einheit auf, die in Verbindung mit einer Datenspeichereinheit in Abhängigkeit der vom Ottomotor verlangten Leistung und der Motordrehzahl gleichzeitig das Brennstoff-Dosierventil und den Stellmotor der Regelklappe der Gemischbildungseinrichtung sowie die Zündung des Ottomotors gemäss einem eingespeicherten Programm regelt, das einem Kennfeld in einem im voraus abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors entspricht.

Die Mikroprozessor-Einheit empfängt dabei nebst einem der vom Ottomotor verlangten Leistung entsprechenden Signal, einerseits über entsprechende Sensoren am Ottomotor Eingabesignale, die mindestens jeweils der Motordrehzahl, dem Ansaugdruck und der Kühlwassertemperatur des Ottomotors entsprechen, wobei sie andererseits aus der Umgebung weitere Eingabesignale empfängt, die mindestens jeweils dem Umgebungsdruck und der Umgebungstemperatur entsprechen.

Ferner gibt diese Mikroprozessor-Einheit in Verbindung mit der Datenspeichereinheit in Abhängig5

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keit dieser Eingabesignale, gemäss dem genannten Kennfeld in dem im voraus abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors, fortlaufend entsprechende Steuersignale für die Regelung des Brennstoff-Dosierventils, des Stellmotors der Regelklappe sowie der Zündung des Ottomotors ab.

Das genannte Kennfeld definiert im abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors die Einstellung der Regelklappe, des Dosierventils und der Motorzündung durch im voraus bestimmte Werte der entsprechenden Steuersignale für jeden Betriebspunkt, so dass der Ottomotor im gesamten genannten Betriebsbereich mit variabler Zusammensetzung und maximalem Luftüberschuss unter Verringerung des Brennstoffverbrauchs und des Schadstoffemission optimal betrieben werden kann.

Die Erfindung wird anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen einer Gemischbildungseinrichtung und eines Regelsystems für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens näher erläutert, die in der beiliegenden Zeichnung wie folgt schematisch dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt schematisch einen teilweisen Längsschnitt durch eine Gemischbildungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung einer Gemischbildungseinrichtung an einem Verbrennungsmotor.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Regelsystem für den Betrieb eines Magermotors mit der Gemischbildungseinrichtung.

Fig. 1 zeigt den Zerstäuberbecher 1, der auf der Antriebswelle 5 eines elektrischen Antriebsmotors 6 montiert ist, mit diesem in einer angenähert kugelförmigen Verkleidung 20 getragen und innerhalb einer Mischkammer 21 axial angeordnet ist.

Die Mischkammer 21 weist einen Lufteintritt 24, einen Gemischaustritt 25, eine Regelklappe 28 mit einem Stellmotor 29 und eine gewölbte rotationssymmetrische Wandung 22 auf, die der Verkleidung 20 angepasst ist, mit dieser einen stromlinienförmigen Ringkanal 23 bildet und mit einem schematisch angezeigten Heizmantel 26 versehen ist.

Ein feststehendes Brennstoff-Zuflussrohr 10 in Wirkverbindung mit einem Dosierventil 27 erstreckt sich axial durch den Lufteintritt 24 in den Zerstäuberbecher 1 hinein. Die Austrittsöffnung 11 des Zuflussrohrs 10 ist mit einem nicht gezeigten Rückschlagventil versehen, das bei Umgebungsdruck sich schliesst, wenn der Brennstoffzufluss unterbrochen wird.

Eine konische Haube 30 überdeckt die offene Oberseite des Bechers 1 in geringem Abstand oberhalb der Sprühkante 16 des Bechers 1.

Der Lufteintritt 24 der Mischkammer 21 wird normalerweise an ein nicht dargestelltes Luftfilter angeschlossen, wobei der Gemischaustritt 25 hier an die schematisch angezeigte Ansaugleitung 31 eines Ottomotors angeschlossen ist, um diesen mit mageren Brennstoffgemischen zu versorgen.

Wie aus Fig. 1 ferner ersichtlich, sind die Wandung 22 der Mischkammer 21 und die Verkleidung 20 gewölbt ausgebildet und einander angepasst, so dass der Ringkanal 23 einen stromlinienförmigen bzw. aerodynamisch günstigen Strömungsweg zwischen dem abgerundeten Lufteintritt 24 um die Haube 30 und die Verkleidung 20 herum bis zum Gemischaustritt 25 ergibt.

Der rotierende Zerstäuber besteht aus einem oben offenen Becher 1 mit einem zentralen Hohlstutzen 2, einer ringförmigen Verteilplatte 3 und einem Steigzylinder 4 und ist auf der Antriebswelle 5 des Motors 6 montiert.

Der Hohlstutzen 2 umschliesst hier das freie untere Ende der Antriebswelle 5, das ein axiales Sackloch aufweist und damit eine zentrale Vorkammer 7 bildet, wobei diese am oberen Ende offen ist und einen Boden 8 am unteren Ende des Sacklochs aufweist.

Das Zuflussrohr 10 ragt axial in diese Vorkammer 8 berührungsfrei hinein, wobei seine feststehende zentrale Austrittsöffnung 11 in einem ausreichend grossen axialen Abstand vom Boden 8 der Vorkammer 7 steht, so dass der flüssige Brennstoff aus dieser Öffnung 11 in jeder gewünschten geregelten Menge ungehindert axial austreten kann.

Eine innere Ringnut ist ferner im Hohlstutzen 2 so vorgesehen, dass dieser mit dem rohrförmig ausgebildeten Ende der Antriebswelle 5 eine ringförmige Zwischenkammer 12 bildet, die mit der Vorkammer 7 über die radiale Bohrung 13 im Bereich des Bodens 8 in Verbindung steht.

Die Verteilplatte 3 des Zerstäuberbechers 1 weist eine ringförmige Verteilfläche 14 auf, die sich bis zum Fuss des Steigzylinders 4 erstreckt, wobei dieser eine nach oben sich erweiternde innere Steigfläche 15 aufweist.

Das obere Ende der Steigfläche 15 ist ferner über eine radial nach innen ragende Überlaufkante 16 und eine anschliessende abgerundete Stirnfläche 17 mit einer Sprühkante 18 zuoberst an der Aussenseite des Steigzylinders 4 so verbunden, dass die aufsteigende Flüssigkeit plötzlich an der Überlaufkante 16 radial nach innen gerichtet und dann allmählich über die Stirnfläche 17 radial nach aussen der Sprühkante 18 zugeführt wird.

Die Zwischenkammer 12 steht mit der Verteilfläche 14 über eine zweite radiale Bohrung 19 im Hohlstutzen 2 in Verbindung, wobei die Bohrungen 13 und 19 einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind.

Bei Betrieb der Einrichtung dreht der Antriebsmotor 6 mit einer hohen Drehzahl von beispielsweise 10 000 Umdrehungen pro Minute, und der flüssige Brennstoff wird über das Dosierventil 27 und das Zuflussrohr 10 der zentralen Austrittsöffnung 11 in genau geregelter Menge zugeführt, fliesst aus dieser Öffnung 11 ungehindert in die Vorkammer 7 hinein, wo er am Boden 8 radial nach aussen abgelenkt und durch Fliehkraft über die kleine radiale Bohrung 13, die Zwischenkammer 12 und die radiale Bohrung 19, der oberen Verteilfläche 14 der Platte 3 zugeführt wird.

Dadurch wird ein Flüssigkeitsfilm gebildet, der sich auf der Verteilfläche 14 mit abnehmender Filmdicke radial ausbreitet, an der konischen inneren Steigfläche 15 aufsteigt, über die Überlauflkante 16 nach innen umgelenkt und über die Stirnfläche 17

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zur oberen Sprühkante 16 gelangt, wo der Brennstoffilm zerteilt und radial in Form von extrem feinen Tropfen abgesprüht wird.

Der Zerstäuber 1 ist damit so ausgelegt, dass sich der von der feststehenden zentralen Öffnung 11 frei austretende Brennstoff durch Fliehkraft nacheinander in der Vorkammer 7, in der Zwischenkammer 12, auf der Verteilfläche 14 und der Steigfläche 15 verteilt, in Form eines gleichmässi-gen Flüssigkeitsfilms von sehr geringer, praktisch konstanter Dicke der Überlaufkante 16 zugeführt, an dieser überläuft und an der Sprühkante 18 zu extrem kleinen (z.B. 20 Mikron) Tropfen zerteilt und radial versprüht und mit dem Luftstrom im Ringkanal 23 innig vermischt wird.

Durch diese Anordnung des Zerstäuberbechers 1 wird die über das Dosierventil 27 geregelte und aus der Öffnung 11 austretende Brennstoffmenge fortlaufend durch Fliehkraft aus der zentralen Vorkammer 7 abgeführt, wiederholt verteilt, gleichmässig ausgebreitet und der inneren Überlaufkante 16 als extrem dünner Flüssigkeitsfilm zugeführt, der an der Stirnfläche 17 und der Sprühkante 18 vollständig zerteilt und radial versprüht wird.

Diese spezielle Anordnung und Wirkungsweise des Zerstäuberbechers 1 ergibt eine gleichmässige Filmbildung und Zerstäubung, wobei jede Diskontinuität im Flüssigkeitsfilm ausgeglichen werden, die insbesondere infolge von transienten Effekten bei Veränderung des Betriebszustands bzw. der Flüssigkeitszufuhr auftreten und die Zerstäubung mehr oder minder beeinträchtigen können.

Die Menge des flüssigen Brennstoffs im entstehenden Gemisch wird dabei unabhängig von der angesaugten Luftmenge nur durch das Brennstoff Dosierventil 27 geregelt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Anordnung der erfindungsgemässen Gemischbildungseinrichtung MFD an einem Magermotor LE mit vier Zylindern C1, C3, C2, C4, die in ihrer Zündreihenfolge dargestellt sind.

Das Brennstoffgemisch wird kontinuierlich aus der vom Motor LE angesaugten Luft A und dem Brennstoff F gebildet und über die Ansaugleitung IM des Magermotors LE in den Zylindern C1-C4 verteilt, wobei die Zündung in von einem Zünd-Steuersignal IC gesteuert wird.

Diese Einrichtung MFD ist erfindungsgemäss wie beschrieben mit einem Dosierventil und einer Regelklappe ausgestattet und bildet einen geregelten Gemischbildner, der die Zuflussmenge und die Zusammensetzung des Gemischs genau regeln und ohne zusätzliche Hilfsmittel allen erforderlichen Be-triebszuständen des Magermotors LE optimal anpassen kann.

Fig. 3 zeigt ein Regelsystem mit einer Gemischbildungseinrichtung MFD für die erfindungsgemässe Versorgung eines Ottomotors LE mit mageren Brennstoffgemischen, wobei der Austritt der Mischkammer an die Ansaugleitung des Ottomotors angepasst ist. Dieses Regelsystem umfasst eine Datenverarbeitungseinheit mit einer Mikroprozessor-Einheit MPU, die in Verbindung mit einer Datenspeichereinheit DSEM (mit EPROM und RAM) in Abhängigkeit der vom Fahrzeuglenker verlangten

Leistung und der Motordrehzahl das Dosierventil und die Regelklappe der Gemischbildungseinrichtung MFD sowie die Zündung des Ottomotors gemäss einem eingespeicherten Programm regelt, das einem Kennfeld in einem im voraus abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors entspricht.

Die Mikroprozessor-Einheit MPU empfängt neben dem der verlangten Leistung entsprechenden Signal DI einerseits über entsprechende Sensoren am Ottomotor LE Eingabesignale, die mindestens jeweils der Motordrehzahl RPM, dem Ansaugdruck IP und der Kühlwassertemperatur WT des Ottomotors entsprechen, und andererseits über Sensoren von aussen weitere Eingabesignale empfängt, die mindestens dem jeweiligen Umgebungsdruck AP und der jeweiligen Umgebungstemperatur AT entsprechen.

Die Mikroprozessor-Einheit MPU in Verbindung mit der Datenspeichereinheit DSEM gibt in Abhängigkeit dieser Eingabesignale DI, RPM, IP, WT, AP, AT, gemäss dem genannten Kennfeld in dem im voraus abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors LE, fortlaufend entsprechende Steuersignale FM, MC bzw. IC für die Regelung des Brennstoff-Dosierventils und des Stellmotors der Regelklappe der Gemischbildungseinrichtung sowie der Zündung des Ottomotors ab.

Im abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors definiert das genannte Kennfeld für jeden Betriebspunkt genau die Einstellung der Regelklappe, des Dosierventils und der Motorzündung durch im voraus bestimmte Werte der entsprechenden Steuersignale (MC, FM, IC), so dass der Ottomotor im gesamten genannten Betriebsbereich mit variabler Gemischzusammensetzung und maximalem Luftüberschuss unter Verringerung des Brennstoffverbrauchs und der Schadstoffemission optimal betrieben werden kann.

Ein solches automatisches Regelsystem ermöglicht damit den optimalen Fahrzeugbetrieb mit mageren Brennstoffgemischen, hohem Wirkungsgrad und reduziertem Brennstoffverbrauch unter Herabsetzung der Schadstoffemission.

Man erzielt damit dank der erfindungsgemässen, regelbaren Gemischaufbereitung ein stark vereinfachtes Regelsystem, das mit Hilfe von nur drei Steuersignalen die optimale Regelung des Magermotor-Betriebs ermöglicht.

Dabei können sowohl die Zusammensetzung als auch die Menge des Brennstoffgemischs sowie die Zündung den optimalen Verhältnissen für den Betrieb des betreffenden Motors fortlaufend automatisch angepasst werden.

Die erfindungsgemäss vorgesehene Gemischaufbereitung und Versorgung von Ottomotoren mit mageren Brennstoffgemischen kann ferner mit geeigneten Mitteln und Massnahmen derart ergänzt werden, dass der Motor auch bei sehr geringen Lastwerten nach wie vor mit hohen Lambda-Werten angenähert bei Umgebungsdruck befriedigend arbeitet.

Zu diesem Zweck könnte beispielsweise über eine entsprechende Verstellung der Auslassventil-Nockenwelle derart, dass die Überlappung der Ventilöffnung auf der Einlass- und Auslasseite ver5

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grössert wird, verhindert werden, dass zu Beginn des Einlassvorgangs ein übermässiger Unterdruck entsteht, weil in diesem Fall ein geringer Teil der Abgase zurückgesaugt werden kann. Damit lässt sich eine übermässige Erhöhung des Druckabfalls in der Ansaugleitung und des Luftüberschusses im Brennstoffgemisch auf relativ einfache Weise verhindern.

Andererseits könnte zum selben Zweck über eine entsprechende Rückleitung mit einem Steuerventil die selektive Rückführung eines geringen Teils der Abgase in die Ansaugleitung vorgesehen werden.

Die erfindungsgemässe Versorgung von Ottomotoren mit mageren Gemischen variabler Zusammensetzung kann ferner dadurch ergänzt werden, dass ein Verdichter vor dem Lufteintritt des Gemischbildners bei sehr hohen Lasten derart zugeschaltet wird, dass das magere Gemisch nach wie vor den Betrieb bei hohem Lambda-Wert, vermindertem Verbrauch und herabgesetzter Schadstoffemission sicherstellen kann.

Das Regelsystem kann ausserdem derart ausgelegt werden, dass der Ottomotor bei sehr hohen Lasten nur kurzzeitig mit Gemischen bei niedrigem Lambda-Wert von etwa 1 versorgt werden kann.

Prüfstandversuche wurden im Rahmen der Erfindung an einem Benzinmotor mit einem regelbaren Gemischbildner gemäss Fig. 1 in Verbindung mit einem Regelsystem gemäss Fig. 3 durchgeführt.

Diese Untersuchungen wurden im US-FTP75-Zy-klus an einem Benzinmotor mit den folgenden Merkmalen durchgeführt: Hubraum 1,6 I, 4 Zylinder, 16 Ventile, Bohrung 80 mm, Hub 77 mm, Kompression 11:1, zwei Nockenwellen, zentrale Zündkerzenlage.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen haben deutlich gezeigt, dass dank der erfindungsgemässen geregelten Versorgung des Benzinmotors mit mageren Gemischen variabler Zusammensetzung mit sehr hohem Luftüberschuss (bei Lambda-Werten von 1,4 bis 2,2), der Benzinmotor bei diesem relativ ungünstigen USFTP75-Zyklus die Stickoxid-Emission (ohne Nachschaltung eines Reduktionskatalysators) sowie die Kohlenmonoxid-Emission unter die gegenwärtigen USA-Abgasgrenznormen herabgesetzt werden, wobei zugleich der Brennstoffverbrauch und damit die C02-Emission erheblich vermindert wurde.

Zudem ermöglicht die Nachschaltung eines relativ einfachen Oxidationskatalysators die Oxidation der Kohlenwasserstoffe, so dass auch die HC-Ab-gasgrenzwerte ohne weiteres eingehalten werden können.

Die vorliegende Erfindung bietet eine neuartige Kombination von Vorteilen, die für den Betrieb von Ottomotoren mit mageren Gemischen besonders bedeutsam sind und wie folgt zusammengefasst werden können.

a) Die Stickoxidemission wird dank dem erfindungsgemäss vorgesehenen Motorbetrieb bei sehr hohen Lambda-Werten weitgehend herabgesetzt.

b) Die Verminderung des Brennstoffverbrauchs dank der Bildung von homogenen Gemischen annähernd bei Atmosphärendruck, der damit weitgehend reduzierten Gaswechsel-Verluste, dem Betrieb mit hohen Lambda-Werten und der verbesserten Verbrennung der homogenen, mageren Gemische.

c) Der Ottomotor spricht infolge der genauen stufenlosen Regelung der Gemischqualität bzw. des Lambda-Werts mit Hilfe des Dosierventils in Verbindung mit der Regelklappe sofort auf transiente Laständerung ohne jegliche Brennstoffanreicherung an.

d) Die Bildung von homogenen Brennstoffgemischen mit hohen Lambda-Werten wird mit Hilfe des Zerstäubers mit Motorantrieb sichergestellt, der bei allen Betriebszuständen des Ottomotors die einwandfreie Zerstäubung und Vermischung des flüssigen Brennstoffs mit der gesamten Ansaugluft gewährleistet.

e) Die Zerstäubung sowie die Gemischbildung erfolgen unabhängig von der angesaugten Luftmenge und vom Ansaugdruck, der annähernd dem Umgebungsdruck gleich gehalten werden kann.

f) Die Gemischbildung und der Transport des Gemischs erfolgen dank der Wirkverbindung der Regelklappe mit dem Brennstoff-Dosierventil annähernd bei Atmosphärendruck.

g) Die Gemischqualität wird mit Hilfe der Regelklappe in Verbindung mit dem Brennstoff-Dosierventil genauestens stufenlos geregelt, wobei der Ottomotor dank der erfindungsgemäss vorgesehenen Gemischbildung mit mageren Gemischen variabler Zusammensetzung praktisch bei Atmosphärendruck mit sehr hohem Luftüberschuss versorgt und optimal betrieben werden kann.

h) Das Luft-Brennstoff-Verhältnis (Lambda) kann in einem ausgedehnten Bereich derart variiert werden, dass der Verbrennungsmotor im gesamten Betriebsbereich mit sehr mageren Gemischen unter Senkung des Brennstoffverbrauchs und Verbesserung der Abgasqualität effizient arbeiten kann, so dass ein Reduktionskatalysator bzw. ein geregelter Dreiweg-Katalysator überflüssig wird.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren für die Gemischaufbereitung und die Versorgung von Ottomotoren mit mageren Brennstoff-Luft-Gemischen variabler Zusammensetzung, wobei flüssiger Brennstoff einem Zerstäuber in einer Mischkammer mit einem Lufteintritt und einem an die Ansaugleitung des Ottomotors angeschlossenen Gemischaustritt zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet:

(a) dass die Gemischbildung im wesentlichen bei Umgebungsdruck erfolgt, wobei die Mischkammer mit dem Zerstäuber einen Strömungsweg zwischen dem Lufteintritt und dem Gemischaustritt begrenzt und mit einer Regelklappe ausgerüstet ist, die man in Wirkverbindung mit einem Brennstoff-Dosierventil in einem im voraus abgegrenzten Betriebsbereich regelt, in dem der Ottomotor mit mageren Gemischen variabler Zusammensetzung arbeitet,

(b) dass man dem Zerstäuber über das Brenn-stoff-Dosierventil dosierte Brennstoffmengen zuführt, die man der jeweils verlangten Motorleistung entsprechend so anpasst, dass der Ottomo-

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tor in dem genannten Betriebsbereich betrieben werden kann und

(c) dass man in Verbindung mit dem Dosierventil mit Hilfe der Regelklappe die Zusammensetzung des Gemischs fortlaufend der jeweils verlangten Leistung beim entsprechenden Betriebspunkt so angleicht, dass die Gemischbildung und der Transport des Gemischs in der Ansaugleitung des Ottomotors annähernd bei Umgebungsdruck erfolgen kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den genannten Bereich für den Betrieb des Ottomotors mit mageren Gemischen variabler Zusammensetzung und möglichst hohem Luftüberschuss dadurch im voraus abgrenzt, dass man bei unterschiedlichen Drehzahlen und Lasten den Betriebsbereich des Ottomotors schrittweise abtastet, wobei man jeweils den Brennstoffverbrauch, die Gemisch- und Abgas-Zusammensetzung und den Ansaugdruck ermittelt, die Regelklappe verstellt und ein Motorkennfeld aufstellt, das die optimale Stellung der Regelklappe bei entsprechenden Betriebspunkten festlegt, so dass beim Betrieb mit möglichst hohem Luftüberschuss im genannten Betriebsbereich des Ottomotors die Gemischaufbereitung und Versorgung des Ottomotors im wesentlichen bei Umgebungsdruck erfolgt, der Brennstoffverbrauch verringert und die Schadstoffemission herabgesetzt werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch für die Versorgung des Ottomotors einen Lambda-Wert von mindestens 1,4 aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubung unabhängig von der Luftmenge mit einem rotierenden Zerstäuber mit Motorantrieb durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelklappe am Gemischaustritt angeordnet ist.

6. Gemischbildungseinrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Zerstäuber, dadurch gekennzeichnet:

(a) dass der Zerstäuber aus einem Becher (1) mit einem zentralen Hohlstutzen (2), einer Verteilplatte (3) und einem Steigzylinder (4) mit einer oberen Sprühkante (18) besteht, auf einer Antriebswelle (5) montiert und mit einem Antriebsmotor (6) verbunden ist,

(b) dass eine zentrale Vorkammer (7) im Hohlstutzen (2) vorgesehen ist, die an einem Ende offen ist, am anderen Ende einen Boden (8) aufweist und in Verbindung mit der oberen Verteilfläche (14) der Verteilplatte (3) steht,

(c) dass das Zuflussrohr (10) mit einem geregelten Brennstoff-Dosierventil (27) ausgerüstet ist, sein freies Ende axial in die Vorkammer (7) berührungsfrei hineinragt und seine feststehende Austrittsöffnung (11) in einem axialen Abstand vom Boden (8) der Vorkammer (7) zentral angeordnet ist, so dass der Brennstoff aus dieser Öffnung (11 ) ungehindert austreten kann und

(d) dass eine Regelklappe (28) mit einem Stellmotor (29) vorgesehen ist, so dass in Verbindung mit dem Brennstoff-Dosierventil (27) mit Hilfe dieser Regelklappe (28) die Zusammensetzung des Gemisches fortlaufend einer verlangten Leistung bei einem entsprechenden Betriebspunkt so angeglichen werden kann, dass die Gemischbildung und der Transport des Gemisches in der Ansaugleitung annähernd bei Umgebungsdruck erfolgen kann.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine feststehende Verkleidung (20) für die Halterung des Zerstäuberbechers (1) so vorgesehen ist, dass sie mit der Wandung (22) der Mischkammer (21) einen Ringkanal (23) zwischen dem Lufteintritt (24) und dem Gemischaustritt (25) bildet.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (22) der Mischkammer (21) mit einem Heizmantel (26) so versehen ist, dass auftreffende Brennstofftropfen abdampfen.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelklappe (28) im Bereich des Gemischaustritts (25) der Mischkammer (21 ) angeordnet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis

9, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende der Antriebswelle (5) im Hohlstutzen (2) angebracht ist und ein axiales Sackloch aufweist, das die zentrale Vorkammer (7) mit dem Boden (8) bildet.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis

10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (5) mit dem Hohlstutzen (2) eine ringförmige Zwischenkammer (12) bildet, die über eine erste radiale Bohrung (13) mit der zentralen Vorkammer (7) und über eine zweite radiale Bohrung (19) mit der Verteilfläche (14) der Platte (3) in Verbindung steht.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Bohrungen (13 und 19) einander diametral gegenüberliegen.

13. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (6) unterhalb des Zerstäuberbechers (1) und mit diesem innerhalb der Verkleidung (20) angeordnet ist, wobei die Sprühkante (18) freisteht und den Brennstoff radial absprüht, so dass er sich mit der angesaugten Luft im Ringkanal (23) vermischt.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuberbecher (1) von einer Haube (30) abgedeckt ist, die sich vom Lufteintritt (24) in Richtung der Sprühkante (16) erweitert.

15. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet:

(a) dass der Austritt (25) der Mischkammer (21) dem Anschluss an die Ansaugleitung (31) des Ottomotors (LE) angepasst ist,

(b) dass die Einrichtung eine Datenverarbeitungseinheit mit einer Mikroprozessor-Einheit (MPU) aufweist, die in Verbindung mit einer Datenspeichereinheit (DSEM) in Abhängigkeit der vom Ottomotor verlangten Leistung (DI) und der Motordrehzahl (RPM) gleichzeitig das Brennstoff-Dosierventil (27) und den Stellmotor (29) der Regelklappe (28) der Gemischbildungseinrichtung (MFD) sowie die Zündung des Ottomotors ge-

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mäss einem eingespeicherten Programm regelt, das einem Kennfeld in einem im voraus abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors entspricht,

(c) dass die Mikroprozessor-Einheit (MPU) nebst einem der vom Ottomotor (LE) verlangten Leistung entsprechenden Signal (DI) einerseits über entsprechende Sensoren am Ottomotor (LE) Eingabesignale empfängt, die mindestens jeweils der Motordrehzahl (RPM), dem Ansaugdruck (IP) und der Temperatur (WT) des Ottomotors entsprechen, und andererseits über Sensoren von aussen weitere Eingabesignale empfängt, die mindestens dem jeweiligen Umgebungsdruck (AP) und der jeweiligen Umgebungstemperatur (AT) entsprechen,

(d) dass die Mikroprozessor-Einheit (MPU) in Verbindung mit der Datenspeichereinheit (DSEM) in Abhängigkeit dieser Eingabesignale (DI, RPM, IP, WT, AP, AT) gemäss dem genannten Kennfeld in dem im voraus abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors fortlaufend entsprechende Steuersignale (FM, MC, IC) für die Regelung des Brennstoff-Dosierventils (27), des Stellmotors (29) der Regelklappe (28) der Gemischbildungseinrichtung sowie der Zündung des Ottomotors abgibt und

(e) dass das genannte Kennfeld die Einstellung der Regelklappe (28), des Dosierventils (27) und der Motorzündung durch im voraus bestimmte Werte der entsprechenden Steuersignale (MC, FM, IC) für jeden Betriebspunkt genau definiert, so dass der Ottomotor im gesamten genannten Betriebsbereich mit Brennstoff-Luft-Gemischen variabler Zusammensetzung und maximalem Luftüberschuss unter Verringerung des Brennstoffverbrauchs und der Schadstoffemission optimal betrieben werden kann.

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