CH683938A5 - Preparing lean air=fuel mixt. for four stroke IC engine - providing mixt. of variable composition by supplying liq. fuel to vaporiser in mixing chamber with air inlet and mixt. outlet coupled to intake of engine - Google Patents

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CH683938A5 CH186191A CH186191A CH683938A5 CH 683938 A5 CH683938 A5 CH 683938A5 CH 186191 A CH186191 A CH 186191A CH 186191 A CH186191 A CH 186191A CH 683938 A5 CH683938 A5 CH 683938A5
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Abstract

The liq. fuel is metered to the vaporiser (1) via a dosing valve (27). The composition of the mixt. is matched to the engine power demanded by means of this valve and a regulating flap (28). The preparation and transport of the mixt. to the intake follows by ambient pressure. A microprocessor unit receives, as well as a signal corresp. to the desired engine power, signals from sensors assigned to the i.c. engine corresp. at least to the r.p.m., intake pressure and cooling water temp. On the other hand, it receives further signals via sensors corresp. at least to the prevailing ambient pressure and temp. In combination with a data memory unit, the microprocessor unit continuously delivers control signals for regulating the dosing valve and adjusting motor for the regulating flap and engine regulation according to the characteristic field of the engine. USE/ADVANTAGE - Optimum drive with lean mixt. at lambda values between 1.4 and 1.8 to 2 or higher. Provides extremely fine spray with drops of 20 microns at most and evenly distributes for homogeneous ignition level.

Description

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Beschreibung description

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. The invention relates to a method for the mixture preparation and the supply of gasoline engines with lean fuel-air mixtures of variable composition, liquid fuel being supplied to an atomizer in a mixing chamber with an air inlet and a mixture outlet connected to the intake line of the gasoline engine.

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. Motor vehicles with a petrol engine are now equipped as standard with the well-known regulated three-way catalytic converter in order to comply with the legal regulations with regard to the permissible pollutant limit values.

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. As part of the ongoing discussions about measures to reduce pollutant emissions, the so-called lean concept is also mentioned. The operation of gasoline engines with lean fuel mixtures with a significant excess of air according to the lean concept offers the possibility to reduce pollutant emissions and at the same time to reduce fuel consumption. This could eliminate the need for a three-way catalytic converter and optimize the petrol engine's consumption.

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. The interest in the development of so-called lean-burn engines or lean-burn mixed engines i.e. Gasoline engines that work with stoichiometric air-fuel ratios (lambda values much larger than 1) are clearly evident from numerous publications. An article by G. Lech and V. Harms in the journal "Motortechnische Zeitschrift", 47 (1986) 10, pp. 423-427 concerns the problems of lean-burn combustion with changing air conditions (lambda values) up to 1.7.

Die Erfordernisse für den Fahrzeugbetrieb mit Magermotoren sind jedoch besonders streng und teilweise widersprüchlich. However, the requirements for vehicle operation with lean engines are particularly strict and sometimes contradictory.

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. Various devices for the preparation of fuel-air mixtures have been proposed and in this connection the following patents and published patent applications are mentioned, for example: 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 and 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. It has been shown that for perfect combustion in lean-burn engines, the liquid fuel must be atomized into extremely fine drops of at most 20 microns and distributed very evenly in order to achieve homogeneous ignitable fuel-air mixtures.

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. However, the fulfillment of the mentioned conditions for perfect combustion by extensive atomization and uniform droplet distribution is particularly problematic in the case of variable operating conditions in that the required mixture composition cannot be guaranteed in the case of transient operating states if uncontrolled amounts of fuel are carried in the mixture. Therefore, on the one hand, the perfect fuel control with changing air volumes and, on the other hand, the use of the simplest possible technical means are of critical importance for the trouble-free continuous operation of motor vehicles.

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. The invention has for its object to provide a method of the type mentioned, which can be carried out with the simplest and most reliable technical means and largely takes into account the problems mentioned above and the satisfactory mixture preparation and the supply of gasoline engines with lean fuel air Mixes of variable composition in the entire operating range of the gasoline engine.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren der eingangs genannten Art mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen gelöst. This object is achieved with the method of the type mentioned at the outset with the features defined in claim 1.

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. In the method according to the invention for supplying gasoline engines with lean mixtures of variable composition, the mixture formation takes place essentially at ambient pressure, the mixing chamber with the atomizer limiting an aerodynamically favorable flow path between the air inlet and the mixture outlet and being equipped with a control flap which is operatively connected to a Fuel metering valve is regulated in a predetermined, preferred operating range in which the gasoline engine works with lean mixtures of variable composition.

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 addition, according to the invention, metered amounts of fuel are fed to the atomizer via the fuel metering valve and are adapted to the engine power required in such a way that the gasoline engine can be operated in the operating range mentioned.

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. In conjunction with the metering valve, the composition of the mixture is continuously adjusted to the required output at the corresponding operating point with the help of the control flap so that the mixture formation and the transport of the mixture in the intake line of the gasoline engine can take place approximately at ambient pressure.

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. The range for the operation of the gasoline engine with lean mixtures of variable composition and the highest possible excess air can preferably be delimited in advance by gradually scanning the operating range of the gasoline engine at different speeds and loads, each with the fuel consumption, the mixture and exhaust gas The composition and the intake pressure are determined, the control flap is adjusted and an engine map is set up, which determines the optimal position of the control flap at the corresponding operating points, so that when operating with the highest possible excess air in the operating range of the gasoline engine, the mixture preparation and supply of the gasoline engine essentially at ambient pressure takes place, fuel consumption is reduced and pollutant emissions can be reduced.

Mit diesem Verfahren werden vorzugsweise Gemische mit einer Luftüberschusszahl aufbereitet, die mindestens 1,4 beträgt. This process is preferably used to prepare mixtures with an excess air number which is at least 1.4.

Die vom Verbrennungsmotor jeweils angesaugte Luftmenge kann andererseits entweder direkt, bei5 The amount of air sucked in by the internal combustion engine, on the other hand, can either be direct, at 5

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spielsweise mit Hilfe eines Hitzdrahtanemometers, oder indirekt über den gemessenen Ansaugdruck, die Temperatur und die Motordrehzahl genau ermittelt werden. for example with the help of a hot wire anemometer, or indirectly via the measured intake pressure, the temperature and the engine speed.

Die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs wird vorteilhaft unabhängig von der Luftmenge mit einem rotierenden Zerstäuber mit Motorantrieb durchgeführt. The atomization of the liquid fuel is advantageously carried out independently of the amount of air using a rotating atomizer with a motor drive.

Die Erfindung betrifft ferner eine Gemischbildungseinrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, welche die im Anspruch 6 definierte Kombination von Merkmalen aufweist. The invention further relates to a mixture formation device for carrying out the method according to claim 1, which has the combination of features defined in claim 6.

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. The device for carrying out the method according to the invention is essentially equipped with an atomizer, which consists of a cup with a central hollow nozzle, a distribution plate and a rising cylinder with an upper spray edge, is mounted on a drive shaft and is connected to a drive motor.

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. Furthermore, a central prechamber is provided in the hollow connector, which is open at one end, has a bottom at the other end and is connected to the upper distribution surface of the distribution plate. In addition, a fixed fuel supply pipe is equipped with a regulated fuel metering valve, with its free end projecting axially into the prechamber without contact and its fixed outlet opening being centrally located at an axial distance from the bottom of the prechamber so that the fuel flows out this opening can emerge unhindered. Furthermore, a control flap with a servomotor is provided, so that in connection with the fuel metering valve, with the help of this control flap, the composition of the mixture can be continuously adapted to a required output at a corresponding operating point in such a way that the mixture formation and the transport of the mixture in the intake line can take place approximately at ambient pressure.

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. This mixture formation device has a relatively simple structure and essentially comprises a fuel metering valve in an inflow pipe, a rotationally symmetrical atomizer with a drive motor and a drive shaft, and a control flap with a servomotor.

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. Thanks to the arrangement provided according to the invention and the interaction of the exposed central outlet of the inflow pipe with the bottom of the prechamber in the hollow socket of the rotating atomizer, the liquid fuel can be regulated precisely to the desired flow rate by the metering valve in the inflow pipe and then escape freely or by centrifugal force from Atomizers are continuously removed and atomized.

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. Due to this special arrangement and mode of operation, the control of the fuel quantity takes place independently of the atomization, whereby these functions continuously follow each other immediately and can be achieved with very simple means.

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. This makes it possible to regulate the amount of fuel in the resulting mixture independently of the amount of air and, in conjunction with the metering valve with the help of the control flap, to precisely adjust and vary the mixture composition as required or to adjust it to the required output so that the mixture formation and the mixture can be transported in the suction line approximately at ambient pressure.

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. A fixed covering is preferably provided for the holder of the atomizer cup so that it forms an annular channel with the wall of the mixing chamber between the air inlet and the mixture outlet.

Die Wandung der Mischkammer ist vorteilhaft mit einem Heizmantel so versehen, dass auftreffende Brennstofflropfen abdampfen. The wall of the mixing chamber is advantageously provided with a heating jacket so that impinging fuel drops evaporate.

Ferner ist die Regelklappe vorteilhaft im Bereich des Gemischaustritts der Mischkammer angeordnet. Furthermore, the control flap is advantageously arranged in the region of the mixture outlet of the mixing chamber.

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. The free end of the drive shaft can preferably be mounted in the hollow socket, it having an axial blind hole which forms the central prechamber with the base mentioned.

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. In a preferred embodiment, the drive shaft forms an annular intermediate chamber with the hollow connector, which is connected to the central prechamber via a first radial bore and to the said distribution plate via a second radial bore, these bores being diametrically opposite one another.

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. The drive motor can be arranged below the atomizer cup and with it within the casing, the spray edge standing free and spraying the fuel radially, so that it mixes with the intake air in the ring channel mentioned.

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. In this arrangement, the atomizer cup is preferably covered by a hood, which widens from the air inlet of the mixing chamber in the direction of the spray edge, so that the sucked-in air is supplied to the ring channel unhindered.

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. The outlet of the mixing chamber is preferably adapted to the connection to the intake line of the gasoline engine, so that the fuel mixture can be transported to the gasoline engine with insignificant pressure loss.

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. The mixture formation device preferably has a data processing unit with a microprocessor unit which, in conjunction with a data storage unit, depending on the power demanded by the gasoline engine and the engine speed, simultaneously the fuel metering valve and the servomotor of the control flap of the mixture formation device and the ignition of the gasoline engine according to a stored program regulates that corresponds to a map in a previously defined operating range of the gasoline engine.

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. In addition to a signal corresponding to the power required by the gasoline engine, the microprocessor unit receives input signals on the one hand via corresponding sensors on the gasoline engine, which at least correspond to the engine speed, the intake pressure and the cooling water temperature of the gasoline engine, while on the other hand it receives additional input signals from the environment which correspond at least to the ambient pressure and the ambient temperature.

Ferner gibt diese Mikroprozessor-Einheit in Verbindung mit der Datenspeichereinheit in Abhängig5 Furthermore, this microprocessor unit in connection with the data storage unit is dependent5

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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. speed of these input signals, according to the characteristic map in the previously defined operating range of the gasoline engine, continuously corresponding control signals for the control of the fuel metering valve, the servomotor of the control flap and the ignition of the gasoline engine.

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. In the limited operating range of the gasoline engine, the characteristic map defines the setting of the control flap, the metering valve and the engine ignition by means of predetermined values of the corresponding control signals for each operating point, so that the gasoline engine in the entire operating range with variable composition and maximum air excess while reducing fuel consumption and of pollutant emissions can be operated optimally.

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. The invention is explained in more detail with reference to preferred exemplary embodiments of a mixture formation device and a control system for carrying out the method according to the invention, which are shown schematically in the accompanying drawing as follows.

Fig. 1 zeigt schematisch einen teilweisen Längsschnitt durch eine Gemischbildungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel. Fig. 1 shows schematically a partial longitudinal section through a mixture formation device according to an embodiment.

Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung einer Gemischbildungseinrichtung an einem Verbrennungsmotor. Fig. 2 shows schematically the arrangement of a mixture formation device on an internal combustion engine.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Regelsystem für den Betrieb eines Magermotors mit der Gemischbildungseinrichtung. 3 schematically shows a control system for the operation of a lean-burn engine with the mixture formation device.

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. Fig. 1 shows the atomizer cup 1, which is mounted on the drive shaft 5 of an electric drive motor 6, carried with it in an approximately spherical casing 20 and is arranged axially within a mixing chamber 21.

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. The mixing chamber 21 has an air inlet 24, a mixture outlet 25, a control flap 28 with a servomotor 29 and a curved, rotationally symmetrical wall 22 which is adapted to the casing 20, forms a streamlined annular channel 23 with it and is provided with a schematically indicated heating jacket 26 .

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. A fixed fuel supply pipe 10 in operative connection with a metering valve 27 extends axially through the air inlet 24 into the atomizer cup 1. The outlet opening 11 of the inflow pipe 10 is provided with a check valve, not shown, which closes at ambient pressure when the fuel flow is interrupted.

Eine konische Haube 30 überdeckt die offene Oberseite des Bechers 1 in geringem Abstand oberhalb der Sprühkante 16 des Bechers 1. A conical hood 30 covers the open top of the cup 1 at a short distance above the spray edge 16 of the cup 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. The air inlet 24 of the mixing chamber 21 is normally connected to an air filter (not shown), the mixture outlet 25 being connected here to the schematically indicated intake line 31 of a gasoline engine in order to supply it with lean fuel mixtures.

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. As can also be seen from FIG. 1, the wall 22 of the mixing chamber 21 and the cladding 20 are curved and matched to one another, so that the annular channel 23 has a streamlined or aerodynamically favorable flow path between the rounded air inlet 24 around the hood 30 and the cladding 20 around to the mixture outlet 25 results.

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. The rotating atomizer consists of a cup 1 open at the top with a central hollow connector 2, an annular distribution plate 3 and a riser cylinder 4 and is mounted on the drive shaft 5 of the motor 6.

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. The hollow connector 2 encloses the free lower end of the drive shaft 5, which has an axial blind hole and thus forms a central prechamber 7, which is open at the upper end and has a bottom 8 at the lower end of the blind hole.

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. The inflow pipe 10 projects axially into this prechamber 8 without contact, its fixed central outlet opening 11 being at a sufficiently large axial distance from the bottom 8 of the prechamber 7 so that the liquid fuel can escape axially from this opening 11 in any desired controlled quantity .

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. An inner annular groove is also provided in the hollow connector 2 so that it forms an annular intermediate chamber 12 with the tubular end of the drive shaft 5, which is connected to the prechamber 7 via the radial bore 13 in the region of the base 8.

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. The distribution plate 3 of the atomizer cup 1 has an annular distribution surface 14 which extends to the foot of the rising cylinder 4, which has an upwardly increasing inner rising surface 15.

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. The upper end of the riser surface 15 is also connected via a radially inwardly projecting overflow edge 16 and a subsequent rounded end surface 17 with a spray edge 18 on the outside of the riser cylinder 4 so that the rising liquid suddenly directed radially inward at the overflow edge 16 and is then gradually fed radially outward over the end face 17 of the spray edge 18.

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. The intermediate chamber 12 is connected to the distribution surface 14 via a second radial bore 19 in the hollow connector 2, the bores 13 and 19 being arranged diametrically opposite one another.

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. When the device is in operation, the drive motor 6 rotates at a high speed of, for example, 10,000 revolutions per minute, and the liquid fuel is fed through the metering valve 27 and the inflow pipe 10 to the central outlet opening 11 in a precisely controlled amount, flows freely from this opening 11 into the antechamber 7 into where it is deflected radially outwards at the bottom 8 and is fed to the upper distribution surface 14 of the plate 3 by centrifugal force via the small radial bore 13, the intermediate chamber 12 and the radial bore 19.

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 As a result, a liquid film is formed which radially spreads out on the distribution surface 14 with decreasing film thickness, rises on the conical inner rising surface 15, is deflected inwards via the overflow edge 16 and via the end surface 17

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

4 4th

7 7

CH 683 938 A5 CH 683 938 A5

8 8th

zur oberen Sprühkante 16 gelangt, wo der Brennstoffilm zerteilt und radial in Form von extrem feinen Tropfen abgesprüht wird. reaches the upper spray edge 16, where the fuel film is divided and sprayed radially in the form of extremely fine drops.

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. The atomizer 1 is thus designed in such a way that the fuel which escapes from the fixed central opening 11 is distributed successively by centrifugal force in the prechamber 7, in the intermediate chamber 12, on the distribution surface 14 and the rising surface 15, in the form of a uniform liquid film of very small, practically constant thickness is supplied to the overflow edge 16, overflows at it and is divided into extremely small (for example 20 microns) drops at the spray edge 18 and is radially sprayed and intimately mixed with the air flow in the annular channel 23.

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. With this arrangement of the atomizer cup 1, the amount of fuel regulated via the metering valve 27 and emerging from the opening 11 is continuously removed from the central prechamber 7 by centrifugal force, repeatedly distributed, evenly spread and fed to the inner overflow edge 16 as an extremely thin liquid film on the end face 17 and the spray edge 18 is completely divided and sprayed radially.

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. This special arrangement and mode of operation of the atomizer cup 1 results in a uniform film formation and atomization, whereby any discontinuities in the liquid film are compensated for, which occur in particular as a result of transient effects when the operating state or the liquid supply changes, and can more or less impair the atomization.

Die Menge des flüssigen Brennstoffs im entstehenden Gemisch wird dabei unabhängig von der angesaugten Luftmenge nur durch das Brennstoff Dosierventil 27 geregelt. The amount of liquid fuel in the resulting mixture is regulated independently of the amount of air sucked in only by the fuel metering valve 27.

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. 2 schematically shows an arrangement of the mixture formation device MFD according to the invention on a lean-burn engine LE with four cylinders C1, C3, C2, C4, which are shown in their firing order.

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. The fuel mixture is continuously formed from the air A drawn in by the engine LE and the fuel F and distributed in the cylinders C1-C4 via the intake line IM of the lean-burn engine LE, the ignition being controlled by an ignition control signal IC.

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. According to the invention, this device MFD is equipped, as described, with a metering valve and a control flap and forms a regulated mixture generator which can precisely regulate the flow rate and the composition of the mixture and can optimally adapt to all required operating states of the lean-burn engine LE without additional aids.

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 3 shows a control system with a mixture forming device MFD for supplying a gasoline engine LE with lean fuel mixtures according to the invention, the outlet of the mixing chamber being adapted to the intake line of the gasoline engine. This control system comprises a data processing unit with a microprocessor unit MPU which, in conjunction with a data storage unit DSEM (with EPROM and RAM), depends on those required by the vehicle driver

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. Output and engine speed regulates the metering valve and the control flap of the mixture formation device MFD as well as the ignition of the gasoline engine according to a stored program that corresponds to a map in a previously defined operating range of the gasoline engine.

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. In addition to the signal DI corresponding to the required power, the microprocessor unit MPU receives input signals on the one hand via corresponding sensors on the gasoline engine LE, which at least correspond to the engine speed RPM, the intake pressure IP and the cooling water temperature WT of the gasoline engine, and on the other hand receives additional input signals via sensors from the outside which correspond at least to the respective ambient pressure AP and the respective ambient temperature AT.

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. The microprocessor unit MPU in conjunction with the data storage unit DSEM, depending on these input signals DI, RPM, IP, WT, AP, AT, continuously gives corresponding control signals FM, MC or in accordance with the characteristic map in the previously defined operating range of the gasoline engine LE. IC for the control of the fuel metering valve and the servomotor of the control flap of the mixture formation device and the ignition of the gasoline engine.

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. In the limited operating range of the gasoline engine, the characteristic map precisely defines the setting of the control flap, the metering valve and the engine ignition for each operating point by means of predetermined values of the corresponding control signals (MC, FM, IC), so that the gasoline engine has a variable mixture composition in the entire operating range and maximum air excess can be optimally operated while reducing fuel consumption and pollutant emissions.

Ein solches automatisches Regelsystem ermöglicht damit den optimalen Fahrzeugbetrieb mit mageren Brennstoffgemischen, hohem Wirkungsgrad und reduziertem Brennstoffverbrauch unter Herabsetzung der Schadstoffemission. Such an automatic control system thus enables optimal vehicle operation with lean fuel mixtures, high efficiency and reduced fuel consumption while reducing pollutant emissions.

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. Thanks to the controllable mixture preparation according to the invention, a greatly simplified control system is achieved which, with the aid of only three control signals, enables optimal control of the lean-burn engine operation.

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. Both the composition and the amount of the fuel mixture and the ignition can be continuously and automatically adapted to the optimal conditions for the operation of the engine in question.

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. The mixture preparation and supply of gasoline engines provided with lean fuel mixtures according to the invention can also be supplemented with suitable means and measures such that the engine continues to work satisfactorily with high lambda values at ambient pressure even at very low load values.

Zu diesem Zweck könnte beispielsweise über eine entsprechende Verstellung der Auslassventil-Nockenwelle derart, dass die Überlappung der Ventilöffnung auf der Einlass- und Auslasseite ver5 For this purpose, for example, the exhaust valve camshaft could be adjusted accordingly such that the overlap of the valve opening on the intake and exhaust side ver5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

9 9

CH 683 938 A5 CH 683 938 A5

10 10th

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. is increased, an excessive vacuum is prevented at the beginning of the intake process, because in this case a small part of the exhaust gases can be sucked back. This makes it possible to prevent an excessive increase in the pressure drop in the intake line and the excess air in the fuel mixture in a relatively simple manner.

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. On the other hand, the selective return of a small part of the exhaust gases into the intake line could be provided for the same purpose via a corresponding return line with a control valve.

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. The supply of gasoline engines with lean mixtures of variable composition according to the invention can also be supplemented in that a compressor is switched on before the air entry of the mixture generator at very high loads such that the lean mixture continues to operate with a high lambda value, reduced consumption and can ensure reduced pollutant emissions.

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. The control system can also be designed in such a way that the gasoline engine can only be briefly supplied with mixtures with a low lambda value of about 1 at very high loads.

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. Test bench tests were carried out in the context of the invention on a gasoline engine with a controllable mixture generator according to FIG. 1 in connection with a control system according to FIG. 3.

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. These tests were carried out in the US FTP75 cycle on a gasoline engine with the following features: displacement 1.6 l, 4 cylinders, 16 valves, bore 80 mm, stroke 77 mm, compression 11: 1, two camshafts, central spark plug position .

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. The results of these investigations have clearly shown that, thanks to the regulated supply of the gasoline engine according to the invention with lean mixtures of variable composition with a very high excess of air (with lambda values from 1.4 to 2.2), the gasoline engine with this relatively unfavorable USFTP75 cycle Nitrogen oxide emissions (without the addition of a reduction catalytic converter) as well as carbon monoxide emissions are reduced under the current USA exhaust gas limit standards, whereby at the same time the fuel consumption and thus the C02 emissions have been significantly reduced.

Zudem ermöglicht die Nachschaltung eines relativ einfachen Oxidationskatalysators die Oxidation der Kohlenwasserstoffe, so dass auch die HC-Ab-gasgrenzwerte ohne weiteres eingehalten werden können. In addition, the connection of a relatively simple oxidation catalytic converter enables the oxidation of the hydrocarbons, so that the HC exhaust gas limit values can also be easily complied with.

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. The present invention offers a novel combination of advantages that are particularly important for the operation of gasoline engines with lean mixtures and can be summarized as follows.

a) Die Stickoxidemission wird dank dem erfindungsgemäss vorgesehenen Motorbetrieb bei sehr hohen Lambda-Werten weitgehend herabgesetzt. a) The nitrogen oxide emission is largely reduced thanks to the engine operation provided according to the invention at very high lambda values.

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. b) The reduction in fuel consumption thanks to the formation of homogeneous mixtures approximately at atmospheric pressure, the largely reduced gas exchange losses, the operation with high lambda values and the improved combustion of the homogeneous, lean mixtures.

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. c) The gasoline engine responds immediately to transient load changes without any fuel enrichment due to the precise, infinitely variable control of the mixture quality or the lambda value with the aid of the metering valve in connection with the control flap.

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. d) The formation of homogeneous fuel mixtures with high lambda values is ensured with the aid of the atomizer with motor drive, which guarantees the perfect atomization and mixing of the liquid fuel with the entire intake air in all operating states of the gasoline engine.

e) Die Zerstäubung sowie die Gemischbildung erfolgen unabhängig von der angesaugten Luftmenge und vom Ansaugdruck, der annähernd dem Umgebungsdruck gleich gehalten werden kann. e) The atomization and the mixture formation are independent of the amount of air sucked in and the suction pressure, which can be kept approximately the same as the ambient pressure.

f) Die Gemischbildung und der Transport des Gemischs erfolgen dank der Wirkverbindung der Regelklappe mit dem Brennstoff-Dosierventil annähernd bei Atmosphärendruck. f) Thanks to the active connection of the control flap with the fuel metering valve, the mixture formation and the transport of the mixture take place approximately at atmospheric pressure.

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. g) The mixture quality is regulated continuously and precisely with the help of the control flap in connection with the fuel metering valve, whereby the gasoline engine can be supplied with lean mixtures of variable composition practically at atmospheric pressure with a very large excess of air and operated optimally thanks to the mixture formation according to the invention.

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. h) The air-fuel ratio (lambda) can be varied over a wide range in such a way that the internal combustion engine can work efficiently in the entire operating range with very lean mixtures while reducing fuel consumption and improving the exhaust gas quality, so that a reduction catalytic converter or a regulated one Three-way catalyst becomes unnecessary.

Claims (1)

Patentansprüche Claims 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:1.Method for the mixture preparation and the supply of gasoline engines with lean fuel-air mixtures of variable composition, liquid fuel being supplied to an atomizer in a mixing chamber with an air inlet and a mixture outlet connected to the intake line of the gasoline engine, characterized in: (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,(a) that the mixture formation takes place essentially at ambient pressure, the mixing chamber with the atomizer limiting a flow path between the air inlet and the mixture outlet and being equipped with a control flap which is controlled in operative connection with a fuel metering valve in a previously defined operating range , in which the gasoline engine works with lean mixtures of variable composition, (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-(b) that metered amounts of fuel are fed to the atomizer via the fuel metering valve, which are adjusted according to the required engine power so that the gasoline engine 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 6060 6565 66 1111 CH 683 938 A5CH 683 938 A5 1212th tor in dem genannten Betriebsbereich betrieben werden kann undcan be operated in the specified operating range and (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.(c) that, in conjunction with the metering valve, the composition of the mixture is continuously adjusted to the required output at the corresponding operating point with the help of the control flap so that the mixture formation and the transport of the mixture in the intake line of the gasoline engine can take place approximately at ambient pressure. 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.2. The method according to claim 1, characterized in that the said area for the operation of the gasoline engine with lean mixtures of variable composition and the highest possible excess air is delimited in advance by gradually scanning the operating range of the gasoline engine at different speeds and loads, whereby each determines the fuel consumption, the mixture and exhaust gas composition and the intake pressure, adjusts the control flap and sets up an engine map that determines the optimal position of the control flap at the corresponding operating points, so that when operating with the highest possible excess air in the operating range of the gasoline engine, the mixture preparation and supply of the gasoline engine takes place essentially at ambient pressure, the fuel consumption can be reduced and the pollutant emissions can be reduced. 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.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the mixture for supplying the gasoline engine has a lambda value of at least 1.4. 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.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the atomization is carried out regardless of the amount of air with a rotating atomizer with a motor drive. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelklappe am Gemischaustritt angeordnet ist.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the control valve is arranged at the mixture outlet. 6. Gemischbildungseinrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Zerstäuber, dadurch gekennzeichnet:6. Mixture formation device for performing the method according to claim 1 with an atomizer, characterized in: (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,(a) that the atomizer consists of a cup (1) with a central hollow socket (2), a distribution plate (3) and a riser cylinder (4) with an upper spray edge (18), mounted on a drive shaft (5) and with a Drive motor (6) is connected, (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,(b) that a central prechamber (7) is provided in the hollow connector (2), which is open at one end, has a bottom (8) at the other end and is connected to the upper distribution surface (14) of the distribution plate (3) , (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(c) that the inflow pipe (10) is equipped with a regulated fuel metering valve (27), its free end projects axially into the prechamber (7) without contact and its fixed outlet opening (11) at an axial distance from the bottom (8) of the Antechamber (7) is arranged centrally so that the fuel can emerge from this opening (11) unhindered and (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.(d) that a control flap (28) with a servomotor (29) is provided, so that in connection with the fuel metering valve (27) with the help of this control flap (28) the composition of the mixture continuously provides the required power at a corresponding operating point can be adjusted so that the mixture formation and the transport of the mixture in the suction line can take place approximately at ambient pressure. 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.7. Device according to claim 6, characterized in that a fixed casing (20) for holding the atomizer cup (1) is provided so that it has an annular channel (23) between the air inlet with the wall (22) of the mixing chamber (21) (24) and the mixture outlet (25). 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.8. Device according to claim 6 or 7, characterized in that the wall (22) of the mixing chamber (21) is provided with a heating jacket (26) so that impinging fuel drops evaporate. 9. Einrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelklappe (28) im Bereich des Gemischaustritts (25) der Mischkammer (21 ) angeordnet ist.9. Device according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the control flap (28) is arranged in the region of the mixture outlet (25) of the mixing chamber (21). 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis10. Device according to one of claims 6 to 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.9, characterized in that the free end of the drive shaft (5) is mounted in the hollow socket (2) and has an axial blind hole which forms the central prechamber (7) with the bottom (8). 11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis11. Device according to one of claims 6 to 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.10, characterized in that the drive shaft (5) with the hollow connector (2) forms an annular intermediate chamber (12) which, via a first radial bore (13) with the central prechamber (7) and via a second radial bore (19) communicates with the distribution surface (14) of the plate (3). 12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Bohrungen (13 und 19) einander diametral gegenüberliegen.12. The device according to claim 11, characterized in that the first and second bores (13 and 19) are diametrically opposite one another. 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.13. The device according to claim 7, characterized in that the drive motor (6) below the atomizer cup (1) and with this inside the casing (20) is arranged, the spray edge (18) standing free and spraying the fuel radially, so that it mixes with the intake air in the ring channel (23). 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.14. Device according to claim 13, characterized in that the atomizer cup (1) is covered by a hood (30) which widens from the air inlet (24) in the direction of the spray edge (16). 15. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet:15. Device according to claim 6, characterized in: (a) dass der Austritt (25) der Mischkammer (21) dem Anschluss an die Ansaugleitung (31) des Ottomotors (LE) angepasst ist,(a) that the outlet (25) of the mixing chamber (21) is adapted to the connection to the intake line (31) of the gasoline engine (LE), (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-(b) that the device has a data processing unit with a microprocessor unit (MPU) which, in conjunction with a data storage unit (DSEM) depending on the power required by the gasoline engine (DI) and the engine speed (RPM), simultaneously the fuel metering valve (27 ) and the servomotor (29) of the control flap (28) of the mixture formation device (MFD) and the ignition of the gasoline engine 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 6060 6565 77 1313 CH 683 938 A5CH 683 938 A5 mäss einem eingespeicherten Programm regelt, das einem Kennfeld in einem im voraus abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors entspricht,regulates according to a stored program that corresponds to a map in a previously defined operating range of the gasoline engine, (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,(c) that the microprocessor unit (MPU), in addition to a signal (DI) corresponding to the power required by the gasoline engine (LE), receives input signals on the one hand via corresponding sensors on the gasoline engine (LE), which at least in each case correspond to the engine speed (RPM), the intake pressure ( IP) and the temperature (WT) of the gasoline engine, and on the other hand receives additional input signals from sensors that correspond at least to the respective ambient pressure (AP) and the respective ambient temperature (AT), (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(d) that the microprocessor unit (MPU) in connection with the data storage unit (DSEM) depending on these input signals (DI, RPM, IP, WT, AP, AT) according to the above-mentioned map in the previously defined operating range of the gasoline engine continuously corresponding Control signals (FM, MC, IC) for the control of the fuel metering valve (27), the servomotor (29) of the control flap (28) of the mixture formation device and the ignition of the gasoline engine and (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.(e) that the mentioned map defines the setting of the control flap (28), the metering valve (27) and the engine ignition by predetermined values of the corresponding control signals (MC, FM, IC) for each operating point, so that the gasoline engine as a whole mentioned operating range with fuel-air mixtures of variable composition and maximum air excess while reducing fuel consumption and pollutant emissions can be operated optimally. 55 1010th 1515 2020th 2525th 3030th 3535 4040 4545 5050 5555 6060 6565 88th
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DE102019123537A1 (en) * 2019-09-03 2021-03-04 Volkswagen Ag Fuel supply system for active purging of an antechamber of an internal combustion engine operated by a gasoline engine with fuel vapor or a fuel vapor / air mixture by means of a fuel vaporizer upstream of the antechamber

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WO2021043534A1 (en) 2019-09-03 2021-03-11 Volkswagen Ag Fuel supply system for active flushing of an antechamber of an internal combustion engine operated by gasoline with fuel vapor or a fuel vapor-air mixture by means of a fuel vaporizer upstream of the antechamber
US11073110B2 (en) 2019-09-03 2021-07-27 Volkswagen Aktiengesellschaft Fuel supply system for the active purging of an antechamber of a spark-ignition internal combustion engine, using fuel vapor or a fuel vapor/air mixture, with the aid of a fuel evaporator upstream from the antechamber

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