CH685064A5

CH685064A5 - Gemischbildungseinrichtung.

Info

Publication number: CH685064A5
Application number: CH1862/91A
Authority: CH
Inventors: Beat Frei
Original assignee: Beat Frei
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1995-03-15

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Gemischbildungseinrichtung für die kontinuierliche Erzeugung von homogenen Gemischen aus flüssigem Brennstoff und Luft, insbesondere für die Versorgung von Ottomotoren mit mageren Brennstoffgemischen variabler Zusammensetzung, wobei ein rotierender Zerstäuber mit einem feststehenden Brennstoff-Zuflussrohr in einer Mischkammer mit einem Lufteintritt und einem Gemischaustritt zum Anschluss an eine Ansaugleitung vorgesehen ist.

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 Dauerbetrieb von Kraftfahrzeugen.

Die Erfindung hat als Aufgabe, eine möglichst einfache und betriebssichere Gemischbildungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die im wesentlichen die einwandfreie Zuflussregelung, das Zerstäuben und die Vermischung von flüssigem Brennstoff mit Luft bei veränderlichem Luftdurchsatz unter allen erforderlichen Betriebsbedingungen und insbesondere bei transienten Betriebszuständen sicherstellen kann, und die sich für eine automatische Regelung eignet.

Diese Aufgabe wird durch die Gemischbildungseinrichtung mit der in Patentanspruch 1 definierten Kombination von Merkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemässen Einrichtung besteht der Zerstäuber im wesentlichen aus einem Becher mit einem zentralen Hohlstutzen, einer Verteilplatte und einem Steigzylinder mit einer oberen Sprühkante und ist auf einer Antriebswelle montiert und mit einem Antriebsmotor verbunden.

Ferner ist im genannten Hohlstutzen eine zentrale Vorkammer vorgesehen, die an einem Ende offen ist, am anderen Ende einen Boden aufweist und in Verbindung mit der oberen Verteilfläche der Verteilplatte steht.

Das Zuflussrohr ist insbesondere mit einem geregelten Brennstoff-Dosierventil ausgerüstet, wobei sein freies Ende axial in die zentrale Vorkammer berührungsfrei hineinragt und seine feststehende Austrittsöffnung in einem axialen Abstand vom Boden dieser Vorkammer zentral angeordnet ist, so dass der Brennstoff aus dieser Öffnung ungehindert austreten kann.

Ferner ist eine Regelklappe mit einem Stellmotor so vorgesehen, dass in Verbindung mit dem Brenn-stoff-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 Einrichtung 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 aufeinan-

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derfolgen 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 insbesondere 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.

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

Die Wandung der Mischkammer kann ferner vorteilhaft mit einem Heizmantel so versehen werden, dass auftreffende Brennstofftropfen abdampfen.

Die Regelklappe kann vorteilhaft im Bereich des Austritts der Mischkammer angeordnet sein, sie kann aber eventuell beim Lufteintritt der Mischkammer eingebaut werden.

Gemäss einer vorteilhaften Ausführung ist das freie Ende der Antriebswelle im Hohlstutzen angebracht, wobei es ein axiales Sackloch aufweist, das die genannte zentrale Vorkammer bildet.

Die Antriebswelle kann hier vorteilhaft mit dem Hohlstutzen eine ringförmige Zwischenkammer bilden, die über eine erste radiale Bohrung mit der zentralen Vorkammer und über eine zweite, diametral gegenüberliegende radiale Bohrung mit der Verteilplatte des Zerstäubers in Verbindung steht.

Der Antriebsmotor kann gemäss einer Ausführung 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.

Der Zerstäuber wird in diesem Fall vorteilhaft von einer Haube abgedeckt, die sich vom Lufteintritt in Richtung der Sprühkante erweitert, so dass die angesaugte Luft ungehindert dem genannten Ringkanal zugeführt wird.

Gemäss einer anderen Ausführung kann der Antriebsmotor innerhalb der Verkleidung so angeordnet sein, dass das freie Ende der Antriebswelle nach unten gerichtet ist und in den Hohlstutzen des Zerstäuberbechers axial hineinragt, wobei dieser Becher unter dem Antriebsmotor am unteren Ende der genannten Verkleidung hervorsteht. In diesem Fall kann die Antriebswelle durch den Antriebsmotor und den Hohlstutzen hindurch sich nach unten erstrecken und eine axiale Bohrung aufweisen und an ihrem unteren Ende geschlossen sein, so dass sie die zentrale Vorkammer bildet und das Zuflussrohr sich berührungsfrei durch diese axiale Bohrung nach unten erstreckt.

Gemäss einer anderen Ausführung, kann die Antriebswelle sich durch den Antriebsmotor und den Hohlstutzen hindurch nach unten erstrecken, wobei ihr unteres Ende ein Sackloch aufweist und damit eine unten offene Vorkammer mit einem oberen

Boden bildet. In diesem Fall ragt das Zuflussrohr von unten her in diese Vorkammer hinein, wobei seine Austrittsöffnung im Abstand unterhalb des Bodens steht, die ringförmige Zwischenkammer sowie die radialen Bohrungen unterhalb der Austrittsöffnung angeordnet sind und das obere Ende des Zuflussrohrs mit einem Umlenkkopf versehen ist, die den austretenden Brennstoff abwärts zur ersten ersten Bohrung umleitet.

Am unteren Ende dieser Vorkammer ist dann eine Abschlussbuchse mit einer axialen Bohrung so vorgesehen, dass das Zuflussrohr sich berührungslos durch diese axiale Bohrung erstreckt.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen 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 einen teilweisen Längsschnitt nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 zeigt eine Variante des Ausführungbeispiels nach Fig. 2.

Fig. 4 zeigt schematisch die Anordnung der Gemischbildungseinrichtung an einem Verbrennungsmotor.

Fig. 5 zeigt schematisch ein Regelsystem für den Betrieb eines Magermotors mit der Gemischbildungseinrichtung.

Ähnliche Elemente haben überall dieselben Bezugszeichen.

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 sich bei Umgebungsdruck schliesst, wenn der Brennstoffzufluss unterbrochen wird.

Eine konische Haube 30 überdeckt die offene Oberseite des Bechers 1 in geringem Abstand oberhalb der Sprühkante 18 des Zerstäuberbechers 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 wird.

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

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e 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 7 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 femer 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/min und der flüssige Brennstoff wird über das Dosierventil 27 und das Zuflussrohr 10 in genau geregelter Menge der zentralen Austrittsöffnung

11 zugeführt, fliesst aus dieser ungehindert in die Vorkammer 7, wird am Boden 8 radial nach aussen abgelenkt und durch Fliehkraft über die Bohrung 13, die Zwischenkammer 12 und die Bohrung 19 der Verteilfläche 14 der Platte 3 zugeführt.

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 Überlaufkante 16 nach innen umgelenkt und über die Stirnfläche 17 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 wird, 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.

Das auf ähnliche Weise in Fig. 2 schematisch dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1, wobei der Zerstäuber 1 jedoch in diesem Fall unterhalb des Antriebsmotors 6 angeordnet und aus der Unterseite der Verkleidung 220 hervorragt, die hier eine konische Haube 230 aufweist.

Ferner ist der Antriebsmotor 6 innerhalb dieser Verkleidung 220 umgekehrt angeordnet, wobei das freie Ende der Antriebswelle 250 nach unten gerichtet, von oben her in den Hohlstutzen 2 axial hineinragt und so gestaltet ist, dass es mit einem Bodenteil 80 auf ähnliche Weise die zentrale Vorkammer 270 mit dem Boden 8 und der seitlichen Bohrung 13 begrenzt.

Wie aus Fig. 2 ferner hervorgeht, ist die Oberseite der Verkleidung 220 und des Antriebsmotors 6 von einer konischen Haube 230 im Bereich des Lufteintritts 24 abgedeckt.

Die Antriebswelle 250 weist eine axiale Bohrung auf, wobei sich das Brennstoff-Zuflussrohr 10 durch die Haube 230 und die Welle 250 berührungslos erstreckt und wobei der Zerstäuber 1 mit einem unteren konischen Leitkörper 240 einen sich verjüngenden Ringkanal begrenzt.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Variante steht der Zerstäuber 1 ebenfalls unter dem Antriebsmotor 6 am unteren Ende der Verkleidung 220 hervor, wobei das untere freie Ende der Antriebswelle 350 ein axiales Sackloch aufweist und damit eine unten offene Vorkammer 370 mit einem oben ange5

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ordneten Boden 380 und der radialen Bohrung 13 bildet.

Das Zuflussrohr 310 ragt hier von unten her in diese Vorkammer 370 hinein und seine Austrittsöffnung 311 ist in bestimmtem Abstand unterhalb des Bodens 380 angeordnet. Die radiale Bohrung 13, die ringförmige Zwischenkammer 12 und die radiale Bohrung 19 sind unterhalb dieser Austrittsöffnung 11 angeordnet, wobei hier eine konische Haube 340 am Zuflussrohr 31 montiert ist.

Ein Umlenkkopf 320 am oberen freien Ende des Zuflussrohrs 310 leitet den austretenden Brennstoff zum Umfang der Vorkammer 370 und abwärts zur ersten radialen Bohrung 13 um, wobei am unteren freien Ende der Antriebswelle 350 eine Abschlussbuchse 330 mit einer axialen Bohrung vorgesehen ist, durch die sich das feststehende Zuflussrohr 310 berührungslos in die Vorkammer 370 hinein erstreckt.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung der er-findungsgemässen Gemischbildungseinrichtung MFD an einem Magermotor LE, wobei hier vier Zylinder C1, C3, C2, C4 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 SC 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. 5 zeigt schematisch ein Regelsystem mit einer erfindungsgemässen Gemischbildungseinrichtung für die Versorgung eines Ottomotors mit mageren Brennstoffgemischen variabler Zusammensetzung, wobei der Austritt der Mischkammer an die Ansaugleitung des Ottomotors LE angepasst ist.

Das Regelsystem in Fig. 5 weist eine Datenverarbeitungseinheit mit einer Mikroprozessor-Einheit MPU auf, die in Verbindung mit einer Datenspeichereinheit DSEM (mit EPROM und RAM) in Abhängigkeit der vom Fahrzeuglenker verlangten Leistung des Ottomotors und der Motordrehzahl das Brennstoff-Dosierventil und den Stellmotor der 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 Gemischen variabler Zusammensetzung und maximalem Luft-überschuss 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 dem erfindungsgemässen, regelbaren Gemischbildner 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 Brenn-stoffgemischs 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 Auslassseite vergrös-sert 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 Brenn-stoffgemisch 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 Gemischbildungseinrichtung 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 Be5

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trieb 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 kurzeitig 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. 5 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 erfindungsgemäs-sen 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 US-FTP75-Zyklus die Stickoxid-Emission (ohne Nachschaltung eines Reduktionskatalysators) sowie die Kohlenmonoxid-Emission unter die USA-gegenwärtigen 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 Laständerungen 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

5 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 Ot-

10 tomotor dank der erfindungsgemäss vorgesehenen Gemischbildung mit mageren Gemischen variabler Zusammensetzung praktisch bei Atmosphärendruck mit sehr hohem Luftüberschuss versorgt und optimal betrieben werden kann.

15 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 Verbesse-20 rung der Abgasqualität effizient arbeiten kann, so dass ein Reduktionskatalysator bzw. ein geregelter Dreiweg-Katalysator überflüssig wird.

Claims

Patentansprüche

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1. Gemischbildungseinrichtung für die kontinuierliche Erzeugung von homogenen Gemischen aus flüssigem Brennstoff und Luft, insbesondere für die Versorgung von Ottomotoren mit mageren Brenn-

30 stoffgemischen variabler Zusammensetzung, wobei ein rotierender Zerstäuber (1, 2, 3, 4) mit einem feststehenden Brennstoff-Zuflussrohr (10) in einer Mischkammer (21 ) mit einem Lufteintritt (24) und einem Gemischaustritt (25) zum Anschluss an eine 35 Ansaugleitung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, 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 Antriebs-40 welle (5) montiert und mit einem Antriebsmotor (6) verbunden ist, dass eine zentrale Vorkammer (7) innerhalb des Hohlstutzens (2) vorgesehen ist, an einem Ende offen ist, am anderen Ende einen Boden (8) aufweist und in Verbindung mit einer obe-45 ren Verteilfläche (14) der Verteilplatte (3) steht, dass das Zuflussrohr (10) mit einem geregelten Brennstoff-Dosierventil (27) ausgerüstet ist, in die Vorkammer (7) berührungsfrei hineinragt und seine feststehende Austrittsöffnung (11) in einem axialen 50 Abstand vom Boden (8) der Vorkammer (7) zentral angeordnet ist, so dass der Brennstoff aus dieser Öffnung (11) ungehindert austreten kann, wobei eine Regelklappe (28) mit einem Stellmotor (29) vorgesehen ist, um in Verbindung mit dem Brenn-55 stoff-Dosierventil (27) mit Hilfe dieser Regeiklappe (28) die Zusammensetzung des Gemischs fortlaufend einer verlangten Leistung bei einem entsprechenden Betriebspunkt so anzugleichen, dass die Gemischbildung und der Transport des Gemischs in 60 der Ansaugleitung annähernd bei Umgebungsdruck erfolgen kann.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine fest stehende Verkleidung (20) als Halterung des Antriebsmotors (6) so vorgese-

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kammer (21) einen Ringkanal (23) zwischen dem Lufteintritt (24) und dem Gemischaustritt (25) bildet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (22) der Mischkammer (21) mit einem Heizmantel (26) versehen ist, um auftreffende Brennstofftropfen abzudampfen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelklappe im Bereich des Gemischaustritts (25) der Mischkammer (21) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, 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.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

5, 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.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Bohrung (13 und 19) einander diametral gegenüberliegen.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 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, um den Brennstoff radial abzusprühen, so dass er sich mit der angesaugten Luft im Ringkanal (23) vermischt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuberbecher (1) von einer Haube (30) abgedeckt ist, die sich vom Lufteintritt (24) in Richtung der Sprühkante (18) erweitert, so dass die angesaugte Luft ungehindert dem Ringkanal (23) zuführbar ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (6) innerhalb der Verkleidung (20) so angeordnet ist, dass das freie Ende der Antriebswelle (5) nach unten gerichtet ist und in den Hohlstutzen (2) des Zerstäuberbechers (1) axial hineinragt, wobei dieser Becher (1 ) unter dem Antriebsmotor (6) am unteren Ende der Verkleidung (20) hervorsteht.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (250) sich durch den Antriebsmotor (6) und den Hohlstutzen (2) hindurch nach unten erstreckt, eine axiale Bohrung aufweist, an ihrem untereren Ende geschlossen ist und damit die Vorkammer (270) mit dem Boden (280) bildet, wobei das Zuflussrohr (10) sich berührungsfrei durch diese axiale Bohrung in der Antriebswelle (250) nach unten erstreckt und seine Austrittsöffnung (11) im Abstand von diesem Boden (280) steht.

12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (350) sich durch den Antriebsmotor (6) und den Hohlstutzen (2) hindurch nach unten erstreckt, ihr unteres Ende ein Sackloch aufweist und damit eine unten offene Vorkammer (370) mit einem oberen Boden (380) bildet, wobei das Zuflussrohr (310) von unten her in diese Vorkammer (370) hineinragt und seine Austrittsöffnung (311) im Abstand unterhalb dieses Bodens (380) steht, die ringförmige Zwischenkammer (12) sowie die radialen Bohrungen (13, 19) unterhalb der Austrittsöffnung (311) angeordnet sind, das obere freie Ende des Zuflussrohrs 35 (310) mit einem Umlenkkopf (320) versehen ist, um den austretenden flüssigen Brennstoff zum Umfang der Vorkammer (370) und abwärts zur ersten radialen Bohrung (13) umzuleiten, wobei am unteren Ende dieser Vorkammer (370) eine Abschlussbuchse (330) mit einer axialen Bohrung vorgesehen ist, durch die sich das Zuflussrohr (310) berührungslos in die Vorkammer (370) erstreckt.

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