So
wird in
DE 198 04
988 C1 ein Verfahren für
einen mit einem homogenen Gemisch betriebenen Verbrennungsmotor
offenbart, bei dem mittels eines steuerbaren Stellelementes eine
dynamische Anpassung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses erfolgt.
Ein
weiteres Verfahren nach
DE
195 43 219 C1 verwendet einen gesonderten NO
x-Sensor, mit dem unter
Verwendung eines Speicherkatalysators und mittels weiterer innermotorischer
Maßnahmen die
NO
x-Konzentration im Abgas begrenzt bzw.
die diskontinuierliche Regeneration des NO
x-Speicherkatalysators
eingeleitet wird.
In
DE 195 19 663 A1 wird
ein weiteres Verfahren für
eine homogene Gemischbildung offenbart, bei dem eine äußere Gemischbildung
mit anschließender
zusätzlicher
Einspritzung einer Zusatzmenge von Kraftstoff, mit der die Selbstzündungsbedingung erreicht
wird, verwendet wird.
Die
DE 101 47 529 A1 offenbart
ein Verfahren für
eine Brennkraftmaschine mit zumindest annähernd homogenem Kraftstoff/Luft-Gemisch,
das bei weitgehender Selbstzündung
des Gemisches auch die gesteuerte Zündung durch eine im Brennraum
integrierte Fremdzündungseinheit
vorsieht.
Ein
Kraftstoffzuführsystem,
bei dem für
eine fremdgezündete
Verbrennungskraftmaschine sowohl der Kraftstoff als auch Luft unter
Druck dem Brennraum über
ein Einblasventil zugeführt
wird, ist aus
EP 308
467 B1 bekannt. Die Gemischbildung erfolgt hier in einer
innerhalb des Einspritzventiles liegenden Gemischbildungskammer,
der gleichzeitig die komprimierte Luft zur Gemischaufbereitung zugeführt wird.
Eine
Verbrennungskraftmaschine mit hybrider Verbrennung nach dem HCCI-Prinzip,
bei der die äußere Gemischbildung
mit zündunwilligen
und leichtflüchtigen
oder gasförmigen
Kraftstoffen (Benzin, Alkohole, Erdgas und Propangas) oder auch
mit Dieselkraftstoff unterhalb der Selbstzündungskonzentration und die
innere Gemischbildung durch Einspritzen von Dieselkraftstoff erfolgte,
ist u.a. aus der Veröffentlichung „Hybrid
Combustion Engine with Premixed Gasoline Homogeneous Charge and
Ignition by Injected Diesel Fuel-Exhaust Emission Characteristics" von Yonetani, H.,
Hara, K. und Fukutani, I., SAE-Paper 940268 bekannt. Die dort beschriebenen Untersuchungen
zur hybriden Verbrennung wurden meist primär mit dem Ziel durchgeführt, die
Emission der Rußpartikel
bei der Dieselverbrennung zu reduzieren. Allerdings ist bei den
untersuchten Gemischbildungen zu beobachten, dass mit der Rußpartikelreduzierung
ein teilweiser Anstieg der NOx-Emission einher geht.
Zu ähnlichen
Ergebnissen kommt die zur Simulation und Modellierung der homogenen
kompressionsgezündeten
Verbrennung durchgeführte
Untersuchung „A
Multi-Zone Model for Prediction of HCCI Combustions and Emissions" von Aceves, S. M.,
Flowers, D. L., Westbrook, C. K., Smith, J. R., Pitz, W., Dibble,
R., Christensen, M. und Johansson, B., SAE-Paper 2000-01-0327.
Den
derzeit aktuellen technischen Entwicklungsstand für eine Verbrennungskraftmaschine nach
dem Otto-Prinzip mit homogener Selbstzündung dokumentiert die Untersuchung „CSI-Ein kostenorientiertes
Ottomotor Gesamtsystem mit homogener Selbstzündung" von Fürhapter, A., Piock, W. F.,
Unger, E. M. und Fraidl, G. K., VDI-Berichte Nr.1808, 2003, in der ein mit
hohem technischen Aufwand realisiertes Motorkonzept vorgestellt
wird, das zwischen den Betriebsarten mit Kompressionszündung (HCCI)
und Selbstzündung
(HCSI) nach Kriterien umschaltet, die dynamisch aus vorher ermittelten Kennfeldern
für Emissionen
und Temperatur der Verbrennung abgeleitet wurden.
Den
vorliegenden Verfahren und Untersuchungen ist zu entnehmen, dass
das Ziel einer ideal homogenen Gemischbildung bei einer gleichzeitigen Reduzierung
von NOx- und Rußemission nur unzureichend
realisiert werden kann oder nur auf bestimmte Betriebsbereiche der
Verbrennungskraftmaschine begrenzt bleibt. Zudem wird bei den zur
Abgasnachbehandlung im Abgasstrang angeordneten Systemen keine Erhöhung des
Wirkungsgrades erzielt, da ein entsprechend hoher Anteil der Energie
innerhalb der nachgeschalteten Vorrichtungen zur thermischen und
katalytischen Nachbehandlung benötigt
wird und ein erhöhter
Abgaswiderstand eine Verminderung des Wirkungsgrades der thermischen
Energieumsetzung zur Folge hat.
Aus
diesen Gründen
ist daher eine vollständige
und ideale Verbrennung des Kraftstoffes mit homogener Konzentration
anzustreben, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gemischbildungsvorgänge unabhängig von
der Verbrennung ablaufen und so der Kraftstoff vollständig vom
Luftsauerstoff oxidiert und ohne Bildung unerwünschter Verbrennungsbestandteile
wie Ruß,
NOx und HC verbrannt wird. Das homogene
Gemisch mit λ > 1 weist grundsätzlich keine
Orte fetten Gemisches mit λ < 1 auf, so dass
die Bildung von Rußpartikeln
weitgehend verhindert wird. Zudem treten auf Grund des Luftüberschusses
keine lokalen Temperaturspitzen mit T > 2000 K auf, die für die Entstehung von NOx verantwortlich sind. Idealerweise zündet ein
homogenes Gemisch als Raumzündung
an unendlich vielen Orten gleichzeitig sowie als Gleichraumprozess
sehr schnell und vollständig.
Neben einem niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch werden wesentlich
reduzierte Schadstoffemissionen erzielt, so dass vielfach aufwendige
Abgasnachbehandlungssysteme nicht mehr erforderlich sind. Die Bereitstellung
eines Verfahrens zur Bildung eines idealen, homogenen Gemisches
ist daher unverzichtbar.
Die
bisher bekannten Verfahren und Einrichtungen sind dazu jedoch nicht,
nur mit Einschränkungen
oder nur unter Zuhilfenahme von aufwendigen Zusatzaggregaten, mit
erheblichen Modifikationen an der Mechanik der Verbrennungskraftmaschine
sowie mit Steuereinheiten, die zunehmend komplexer werden und damit
unter dem Aspekt der Gesamtwirtschaftlichkeit kritisch hinterfragt
werden müssen,
in der Lage.
Hauptaufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher, hier einzugreifen und ein
neuartiges, mit technisch bekannten Mitteln umsetzbares Verfahren
bereit zu stellen, mit dem ein ideal homogenes Kraftstoff/Luft-Gemisch
zur Verbrennung in Verbrennungskraftmaschinen bereit gestellt wird.
Dieses spezielle Verfahren für
die homogene Gemischbildung eignet sich auf Grund der grundsätzlichen,
erfindungsgemäßen Verfahrenschritte
nicht nur für
Verbrennungsmaschinen, die nach dem Dieselprinzip mit Kompressionszündung arbeiten,
sondern auch für
fremdgezündete
Motoren nach dem Ottoprinzip. Darüber hinaus ist dieses Verfahren
für die
Vielzahl der derzeit aktuellen neuen Motorkonzepte, insbesondere
nach dem HCCI-Prinzip sowie für
derzeit noch im Entwicklungsstadium befindliche zukünftige Hybridkonzepte
anwendbar, bei denen wesentliche Eigenschaften sowohl des Ottoprinzips
als auch des Dieselprinzip in einem Entwurf vereinigt werden. Der besondere
Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, dass zum einen bestehende
Motorkonzepte mit einfachen konstruktiven Maßnahmen, die selbst für Antriebsmotoren
von Altfahrzeugen im Rahmen der Nachrüstung geeignet sind, erweitert
werden können.
Zum anderen bietet sich das erfindungsgemäße Verfahren auf Grund der
universellen Verwendungsmöglichkeit
aber auch für
einen grundsätzlich
neuen und optimierten Entwurf und die Realisierung eines emissionsminimierten
Antriebsmotors dadurch an, dass die für eine veränderte Verbrennungsführung erforderlichen
Variablilitäten
für zukünftige Motorkonzepte
geschaffen werden.
Ein
wesentliches Element dieses Verfahrens ist die Abkehr von der herkömmlich angewandten Methodik
zur äußeren Gemischbildung
beim Ottomotor und inneren Gemischbildung beim Dieselmotor. Dies
wird dadurch erreicht, dass die Bildung des Kraftstoff/Luft-Gemisches
in jeweils einzelnen Schritten erfolgt, die variabel und optimierbar
sowie unabhängig
von der Art der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Kraftstoffes
sind. Bei den bislang eingesetzten Verfahren und Vorrichtungen ist
insbesondere die Bildung von hinreichend fein verteilten Kraftstoffpartikeln
mit möglichst
kleiner Tröpfchengröße, die
Idealerweise bis zum gasförmigen
Zustand des Kraftstoffes gehen sollte, nur sehr unvollkommen für die Vielzahl
von Betriebsbedingungen einer Verbrennungskraftmaschine realisiert.
Hier
nun greift das erfindungsgemäße Verfahren
ein, indem für
die Aufbereitung des Kraftstoffes ein spezielles Trägergas eingesetzt
wird, das auf Grund seiner besonderen spezifischen Eigenschaften
zur Vorbereitung einer homogenen Konzentration von Kraftstoff und
Luft im Brennraum dient und das bei der thermischen Umsetzung des
Kraftstoff/Luft-Gemisches weder eine physikalische noch eine chemische
Reaktion eingeht. Gleichzeitig werden in diesem Trägergas mehrere
elementare und für das
Verfahren unabdingbare Eigenschaften realisiert. Hierzu zählt als
erstes die Unbrennbarkeit bis zu Temperaturwerten, die in den Brennräumen bei der
Verbrennung von Kraftstoff/Luftgemischen entstehen. Als zweite wesentliche
Eigenschaft wird ein reaktionsunfähiges bzw. inertes Verhalten
unter sämtlichen
bei der Verbrennung vorkommenden physikalischen und chemischen Zuständen gefordert,
da durch die Verwendung des Trägergases
keine unerwünschten
Reaktionsprodukte entstehen sollen. Darüber hinaus weist das Trägergas die
Funktion als Träger
der Energie auf, die zur Konditionierung des Kraftstoffes im Sinne
des erfindungsgemäßen Verfahrens
benötigt
wird. Eine weitere wesentliche Eigenschaft beruht darauf, dass das
Trägergas
die Homogenisierung, d. h. die möglichst
gleichverteilte Konzentration des Kraftstoffes, innerhalb der verfahrensbedingt
erzeugten Kraftstoffgasphase bewirkt. Weiterhin muss das Trägergas im
Anschluss daran eine stabilisierende Funktion dahingehend ausüben, dass
die einmal erzielte Konditionierung des Kraftstoffes in Form eines
homogenen Kraftstoffgases sich nicht rückbilden kann, da das Trägergas eine Rekombination
der entstandenen Kraftstoffmoleküle verhindert.
Eine weitere Funktion besteht in einer inneren und äußeren Isolierung
auf Grund einer geringen spezifischen Wärmeleitfähigkeit, so dass die erreichte
Temperaturverteilung innerhalb des konditionierten Kraftstoffgas/Trägergas-Gemisches örtlich und
zeitlich weitgehend konstant bleibt. Abschließend dient das Trägergas auch
zum Transport des Kraftstoffes in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine,
der unter Nutzung der isolierenden Eigenschaften auch über größere Strecken
ohne Gefahr einer Kondensation des Kraftstoffes an den Innenwänden der
Zuleitungen erfolgt.
Als
Trägergas
wird erfindungsgemäß im Hinblick
auf die vorgenannten Eigenschaften ein Gas aus der Reihe der Edelgase
vorgeschlagen, wobei einzig das Edelgas Argon sämtliche Anforderungen am besten
erfüllt
und daher bevorzugt wird. Hierbei ist von besonderer Bedeutung,
dass Atome eines Edelgases keinerlei Verbindung mit Atomen anderer Stoffe
bzw. Gase eingehen, ausschließlich
zu Verbindungen im Sinne der allgemeinen Edelgaschemie neigen, in
atomare Strukturen anderer Stoffe eindringen und teilweise innerhalb
von Molekülketten
anderer Stoffe mechanisch gefangen gehalten werden können. Zusammen
mit den geforderten Eigenschaften der Unbrennbarkeit, Reaktionsunfähigkeit
und Konstanz des physikalischen Zustandes, die zudem bis weit über die
innerhalb einer Verbrennungskraftmaschine auftretenden Temperatur-
und Druckwerte hinaus gehen, machen dieses Edelgas zu einem idealen
Trägergas.
Da
in der Natur Argon mit dem Isotop 40Ar im Vergleich
mit anderen Edelgasen einen insgesamt hohen Anteil an der Erdatmosphäre von 1,3
Gewichts-% und 0,94 Volumen-% aufweist, eignet es sich besonders
für die
relativ einfache und preisgünstige
Gewinnung aus der Umgebungsluft.
Diese
spezifischen Eigenschaften werden erfindungsgemäß vorteilhaft für die Bereitstellung
eines homogenen Kraftstoff/Luft-Gemisches dadurch ausgenutzt, dass
das Trägergas
zur Konditionierung des Kraftstoffes herangezogen wird, indem dieses mit
dem durch eine konventionelle Einspritzdüse aufbereiteten Kraftstoff
bei einer Temperatur zusammengeführt
wird, die oberhalb der maximalen Siedetemperatur der Einzelkomponenten
liegt und z.B. für Dieselkraftstoff
ca. 700°K
beträgt.
So werden durch das Trägergas
zunächst
die Bausteinlücken
der beispielsweise bis zu 300 im Dieselkraftstoff vorkommenden verschiedenen
KW-Verbindungen besetzt und bereits in dieser Phase voneinander
getrennt. Weiterhin wird die Anhaftung der unterschiedlichen langkettigen
Kohlenwasserstoffmoleküle
des Kraftstoffes untereinander verringert und für die danach einsetzende Verdampfung
vorbereitet, bei der als erstes die leichter siedenden Komponenten
in Abhängigkeit
vom Sättigungsdampfdruck
in die Gasphase übergehen.
Die einzelnen Kraftstofftröpfchen, die
innerhalb des Trägergases
mit homogener Konzentration stabilisiert bleiben, werden zunächst unter Luftabschluss
bzw. bei einem Sauerstoffgehalt, der unterhalb der für die Selbstzündung notwendigen Zündgrenze
liegt, durch das gleichzeitig eingeleitete vortemperierte Trägergas homogen
aufgeheizt. Alternativ wird in einer Variante des Verfahrens das
Trägergas
unmittelbar vor oder nach dem Einspritzen des Kraftstoffes zugesetzt
oder innerhalb des Einspritzvorganges durch eine integrierte Zuleitung
innerhalb der Einspritzvorrichtung als alleiniges oder zusätzliches
Medium zur Zerstäubung
des Kraftstoffes verwendet. Innerhalb eines so gebildeten einzelnen
Kraftstofftröpfchens
bildet sich nunmehr durch freie Konvektion ein zeitlich veränderliches
Temperaturfeld und in Folge des daraus resultierenden Dichtefeldes
ein Strömungsfeld
aus. Innerhalb dieses Feldes beginnt die Verdampfung jedes einzelnen Tröpfchens,
sobald der Sättigungsdampfdruck
der jeweiligen Kraftstoffkomponente erreicht ist. Es stellt sich
somit aus der Flüssigkeitsphase
der Tröpfchen mit
abnehmendem Durchmesser eine zunehmende Konzentration der gasförmigen Phase
ein. Diese grundsätzlich
ablaufende Gasbildung wird durch zwei wesentliche Eigenschaften
des Trägergases
ermöglicht.
Zum einen verläuft
die Gasbildung durch die hohe Eigentemperatur des umgebenden Trägergases
bedingt mit kurzem Zeitbedarf, da dessen Wärmeinhalt für die vollständige Konditionierung
des Kraftstoffes ausreichend hoch ist. Zum anderen bleibt während der
Gasbildung die Konzentration weiter homogen, da unmittelbar ein
stabile Durchsetzung des Kraftstoffgasfeldes durch das Trägergasfeld
stattfindet. Das Verfahren liefert somit eine extrem rasche Umsetzung
der flüssigen
Phase des Kraftstoffes in eine Gasphase, die mit definierter Konzentration
aus einem homogenen Gemisch von Kraftstoffgas und Trägergas besteht,
bei dem die einzelnen Komponenten quasi kontinuierlich verteilt
mit einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion beschrieben werden können. Das
in diesem Verfahrensschritt ideal vorbereitete Kraftstoffgas/Trägergas-Gemisch
wird mit einem Druck und einer Temperatur, deren Werte in Abhängigkeit
vom Arbeitsprinzip der Verbrennungskraftmaschine, der Schadstoffemission
und dem Verlauf der Verbrennung dynamisch variabel gesteuert oder
geregelt werden, für
die nachfolgenden Schritte in einer sog. Gemischkammer vorgehalten,
die entweder zentral mit entsprechend ausgelegtem Volumen angeordnet
oder mit wesentlich geringerem Volumen jedem einzelnen Brennraum
dezentral zugeordnet sein kann. Die dezentrale Anordnung der Gemischkammer
bietet den Vorteil, dass auf Grund des nur geringen erforderlichen Volumens
eine Integration innerhalb der dem Brennraum zugeordneten Einspritzvorrichtung
möglich
ist, so dass die Funktionen Einspritzen des Kraftstoffes, Zufuhr
des Trägergases,
Konditionierung des Kraftstoffes und anschließende Einspritzung in den Brennraum
in einer kompakten Einheit zusammengeführt werden können. Innerhalb
dieser zentralen oder dezentralen Gemischkammer wird die einmal
herbeigeführte
homogene Konzentration durch das Trägergas stabilisiert und aufrecht
erhalten, so dass Temperatur- und Druckänderungen keine Rückbildung
der Gasphase bzw. Dehomogenisierung herbei führen.
Für die spätere Verbrennung
des Kraftstoffes wird in einem getrennten Behälter atmosphärische Luft
als Oxidationsmittel, bedarfsweise angereichert mit dynamisch variablen
Abgasanteilen, mit einer Temperatur und einem Druck aufbereitet,
deren Werte in Abhängigkeit
vom Arbeitsprinzip der Verbrennungskraftmaschine, der Schadstoffemission
und dem Verlauf der Verbrennung dynamisch variablen gesteuert oder
geregelt werden. Die Zusammenführung
von Kraftstoffgas/Trägergas-Gemisch
und aufbereiteter Luft geschieht mit großer Variabilität je nach
Erfordernis des Arbeitsprinzips der Verbrennungskraftmaschine zu
einem hinsichtlich der Schadstoffemission optimalen Verbrennungszeitpunkt
und -ort. Die für
die Bildung eines homogenen Kraftstoff/Luft-Gemisches erforderliche homogene Vermischung
des Kraftstoffgas/Trägergas-Gemisches mit der
aufbereiteten Luft verläuft
ohne weitere spezifische Zwischenschritte nach den allgemeinen Gasgesetzen
auf Grund der variabel und teilweise dynamisch einstellbaren Dichte-,
Druck- und Temperaturgradienten ab. Die innerhalb des Brennraumes sich
einstellende, ideal homogene Konzentration des Kraftstoff/Luft-Gemisches
wird durch das noch anwesende Trägergas,
obwohl dessen prozentualer Anteil auf Grund der zugeführten und
aufbereiteten Luft reduziert ist, weiterhin aufrecht erhalten und
trägt insbesondere
dazu bei, dass keine Kondensation des Kraftstoffes an den Wänden des
Brennraumes stattfindet, da ein Temperaturaustausch des Gemisches auf
Grund der geringen Wärmeleitfähigkeit
des Trägergases
weitgehend unterbunden wird.
Nach
unmittelbarer und vollständiger
gegenseitiger Durchmischung resultiert nunmehr ein ideal homogenes
Gemisch, das innerhalb der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine
fremd- oder selbstgezündet
wird. Die sofort einsetzende Verbrennung setzt mit raschem Anstieg
von Druck und Temperatur die annähernd
ideale thermisch-chemische Umsetzung der Verbrennungsenergie in
mechanische Bewegungsenergie in Gang und kann mit bekannten Maßnahmen
den Anforderungen hinsichtlich Betriebssicherheit, Klopfsicherheit,
Geräuschentwicklung
und Laufruhe weiter angepasst werden. Insbesondere mit der Möglichkeit
der selektiven Korrektur der internen Restgasrate ist eine völlige Gleichstellung
der Verbrennung zu erzielen, die sowohl ein Optimum für den Kraftstoffverbrauch
als auch für
die Schadstoffemission darstellt und allein für die Rohemission von NOx eine Reduktion von mehr als 95 % erwarten
lässt.
Beim
Dieselprinzip erfolgt die Zufuhr des konditionierten Kraftstoffgas/Trägergas-Gemisches zum Zeitpunkt
des konventionellen Einspritzbeginns mit anschließend weiterer
Verdichtung und Kompressionszündung
des Gemisches aus Kraftstoffgas, Trägergas und angesaugter bzw.
aufbereiteter und eingeblasener Luft. Beim Ottoprinzip erfolgt die
Zufuhr des konditionierten Kraftstoffgas/Trägergas-Gemisches mit einer
Temperatur und einem Druck, deren Werte vom Verlauf der Verbrennung
und der Schadstoffemission abhängen,
zusammen mit der angesaugten oder aufgeladenen Luft mit anschließender Fremdzündung.
Durch
diese Vorgehensweise wird sichergestellt, dass der Verbrennungsvorgang
mit den für
die Minimierung von NOx-Emissionen relevanten
Parametern gesteuert oder geregelt abläuft. Die für die thermische NO-Bildung
wichtigen Einflussgrößen wie Luftverhältnis und
adiabatische Flammentemperatur, die zum größten Teil im Post-Flame-Bereich
stattfinden, werden so angepasst, dass sich für die NOx-Emission
extrem niedrige Werte auf Grund der exponentiell mit der Temperatur
abnehmenden NO-Bildung einstellen. Die bei niedrigen Temperaturen
ablaufende prompte NO-Bildung erfolgt hauptsächlich unter brennstoffreichen
Bedingungen, so dass bei einem Luftverhältnis λ > 1,4 mit insgesamt äußerst geringen Anteilen von
promter NO-Bildung gerechnet werden kann. Als dritter Beitrag zur NO-Bildung
ist der im Kraftstoff selbst enthaltene Stickstoffanteil zu nennen,
dem jedoch auf Grund des nur geringen Anteils keine weitere Bedeutung
zu kommt.
Einzig
dem aus der Reaktion des Stickstoffes mit dem atomaren Sauerstoff
herrührenden
Bildung von N2O und unter weiterer Reaktion
hieraus gebildetem NO ist bei Vorliegen eines weitgehend minimierten
thermischen NO-Beitrages eine besondere Beachtung zu schenken, da
bei der homogenen Dieselverbrennung die für die N2O-Bildung erforderlichen Bedingungen
wie geringe Temperatur, hohes Luftverhältnis und hoher Druck diesen
sonst geringen Beitrag in Relation zu anderen NO-Bildungsmechanismen
in den Vordergrund treten lassen.
Eine
weitere Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Reduzierung
der Rußpartikelemissionen.
Der bei der Verbrennung von Kraftstoff entstehende Ruß setzt
sich vorwiegend aus dreidimensional aufgebauten Reaktionsresten
eines Prozesses zusammen, bei dem Wachstumsprodukte in Form mehrfacher
Benzolringe durch mehrfache Bildung von polyzyklischen aromatischen
Kohlenwasserstoffen (PAK) entstehen. Die entstandene Rußmenge nimmt
mit abnehmenden Luftverhältnis
und mit zunehmender Temperatur zu. Da im erfindungsgemäß vorliegenden
Verfahren die dem Brennraum zugeführte Menge von Kraftstoff,
Trägergas
und Luft den erforderlichen Anforderungen hinsichtlich Emission und
Lastbereich mit hoher Dynamik gesteuert bzw. geregelt wird, kann
für sämtliche
Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine ein weitgehend optimaler
Emissionsausstoß gewährleistet
werden. Durch die gewählte
Art der Gemischaufbereitung mit idealer homogener Konzentration
entstehen im Brennraum weder örtlich
hohe Spitzentemperaturen, die zur NO-Bildung beitragen, noch Bereiche
mit Sauerstoffmangel, in denen die Rußbildung begünstigt wird.
Die Verbrennung erfolgt vielmehr bei einer weitgehend einheitlichen
Temperatur mit ideal simultaner Selbstzündung des gesamten Gemisches
mit hohem Druckanstieg und kurzer Brenndauer. Die homogene Verbrennung
des nach diesem erfindungsgemäßen Verfahren
gebildeten Kraftstoff/Luft-Gemisches ist daher durch eine hohe chemische
Reaktion bei der Oxidation des Kraftstoffes im Gegensatz zur konventionellen
Dieselverbrennung gekennzeichnet, die mischungskontrolliert und
damit in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit der Vermischung von Luft mit Kraftstoff
abläuft.
Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht auch zum konventionellem
Ottomotor, bei dem im wesentlichen die Umsatzrate des Gemisches
durch die im Brennraum turbulent entstehende Flammenausbreitung
beeinflusst wird.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
bietet zudem den Vorteil, dass das Gemisch durch Wahl eines Verdichtungsverhältnisses,
das unterhalb der Selbstzündung
des Kraftstoff/Luft-Gemisches liegt, mit bekannten Elementen fremdgezündet werden
kann. Darüber
hinaus ist eine Variante der Verbrennungsführung realisierbar, bei der
das unter Luftabschluss aufbereitete Kraftstoff/Trägergas-Gemisch
durch die definierte Zufuhr von Luft mit bestimmtem Druck und bestimmter
Temperatur ohne weitere Zündquellen fremdgezündet wird.
Weiterhin ist es mit dem vorliegendem Verfahren möglich, dass
in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine das aufbereitete Kraftstoff/Trägergas-Gemisch in die hochverdichtete Luft
in Anlehnung an das Dieselprinzip mit einem Druck und einer Temperatur
eingeblasen wird, deren Werte in Abhängigkeit vom Verlauf der Verbrennung und
der Schadstoffemission dynamisch variabel gesteuert oder geregelt
werden.
Auf
Grund der prinzipiell vorhandenen Möglichkeit des Verfahrens zur
differenzierten und in Abhängigkeit
vom Verbrennungs- und Schadstoffemissionsverlauf variablen gesteuerten
oder geregelten Gestaltung von Zeitpunkten und Zeitdauer sowie von Temperatur
und Druck der drei an der Gemischbildung beteiligten Komponenten
Kraftstoff, Luft und Trägergas
mit weiteren Möglichkeiten
der Unterstützung
der Verbrennung des homogenen Kraftstoff/Luftgemisches durch zusätzliche
Kraftstoffeinspritzung und Lufteinbringung während der Verdichtung bzw.
kurz vor oder nach OT eröffnet
sich ein breites Ausgangspotential für eine Optimierung der Verbrennung
und der Schadstoffemission für
unterschiedliche Lastbereiche der Verbrennungskraftmaschine.
Die
für die
kontinuierliche Zuführung
erforderlichen Volumina des Trägergases
sind relativ gering und können
während
des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine der Umgebungsluft entnommen bzw.
aus dem Abgas nach entsprechender Aufbereitung rückgewonnen werden, da das inerte
Trägergas selbst
keine Prozessreaktion in physikalischer oder chemischer Hinsicht
eingeht. Bei einer nach dem erfindungsgemäß vorliegenden Verfahren beispielhaft realisierbaren
Vorrichtung wird das Inertgas in einer gesonderten, nicht kryogenen
Trennanlage aufbereitet und komprimiert in einem Pufferbehälter zwischengespeichert.
Weiterhin ist bei Verzicht auf eine autonome Trägergasgewinnung das Mitführen eines entsprechend
großen
Volumens des Trägergases
in einem gesonderten Hochdruckbehälter denkbar, der im Rahmen
eines Tankvorganges mit einer Reichweite, die ein Vielfaches der
Reichweite einer normalen Kraftstofftankfüllung beträgt, wieder befällt wird.
Der
Gemischkammer wird das über
Abgaswärmetauscher
oder mit sonstiger zusätzlicher
Hilfsenergie vorgeheizte und mittels eines Verdichters komprimierte
Trägergas
zugeführt,
dessen Werte für Temperatur
und Druck in Abhängigkeit
vom Arbeitsprinzip, vom Verlauf der Verbrennung und der Schadstoffemission
und Art des Kraftstoffes dynamisch gesteuert oder geregelt werden.
Die für
die Oxidation des Kraftstoffes notwendige Luft wird zentral aufbereitet
und den Arbeitszylindern der Verbrennungskraftmaschine über eine
Vorrichtung, die an eine konventionelle Common-Rail-Anordnung angelehnt
ist, zugeführt.
Die Werte von Temperatur und Druck des zentral aufbereiteten Oxidationsstoffes
werden in Abhängigkeit
vom Arbeitsprinzip der Verbrennungskraftmaschine, vom Verlauf der
Verbrennung und der Schadstoffemission und der Art des Kraftstoffes
dynamisch variabel gesteuert oder geregelt. Der Zeitpunkt und die
Dauer des Einblasens der vorgeheizten und in gewissen Grenzen mit
variablem Vordruck aufbereiteten Luft wird zum Brennraum hin durch
ein entsprechendes Einblasventil gesteuert. Die Verbrennung wird über getrennte
Vorrichtungen zur Drucküberwachung
der zugeführten
Luft und des Trägergases
sowie zur Erfassung der Schadstoffe im Abgasvolumenstrom mittels
einer entsprechenden externen Vorrichtung derart geregelt, dass
die Verbrennung thermisch stabil und optimiert abläuft und die
Emissionen in jedem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine
minimiert werden.
Das
erfindungsgemäß beschriebene
Verfahren wird in 1 nachstehend an Hand einer
beispielhaften Ausführung
einer kompressionsgezündeten
Verbrennungskraftmaschine (1) mit 6 Verbrennungsräumen (2)
und einem autonomen Lufttrennsystem (22) und einem Abgastrennsystem
(24) zur Rückgewinnung
des Trägergases
verdeutlicht. Der Kraftstoff wird der Kraftstoffpumpe (4) über die
Kraftstoffleitung (3) zugeleitet und über einen vom Abgas betriebenen
Abgaswärmetauscher
(5) oder mit anderer Hilfsenergie aufgeheizt. Mittels eines
gesteuerten Kraftstoffeinspritzventils (6) erfolgt die
Einbringung des Kraftstoffes in die Gemischkammer (7),
die jedem einzelnen Verbrennungsraum (2) zugeordnet ist. Über ein
gesondertes Trägergaseinblasventil
(9) wird das einem externen Trägergashochdruckspeicher (10)
entnommene Trägergas
der Gemischkammer (7) zugeführt, nachdem dieses durch einen
Trägergasverdichter
(11) zur dynamischen Druckanpassung komprimiert wurde und über einen
vom Abgas betriebenen Trägergaswärmetauscher
(12) aufgeheizt wurde. Kraftstoffgas und Trägergas werden
zur Gemischbildung mit dynamisch variablen Druck und Temperatur
der Gemischkammer (7) zugeführt. Die Zuführung des
homogenisierten Kraftstoffgas/Trägergas-Gemisches
in den Verbrennungsraum (2) erfolgt über das Kraftstoffeinblasventil
(8).
Die
für die
Verbrennung erforderliche Luft wird in einem gesonderten Luftdruckbehälter (13), dem
die über
die Luftzuleitung (16) geleitete und zusätzlich von
einem Luftabgaslader (15) vorkomprimierte Luft über einen
vom Abgas betriebenen Luftwärmetauscher
(14) zugeführt
wird, mit einer Temperatur und einem Druck vorgehalten, deren Werte
dynamisch gesteuert oder geregelt werden. Die so aufbereitete Luft
wird dem Verbrennungsraum (2) nach einem Luftverdichter
(17) zur dynamischen Druckanpassung mit einem nachgeordneten
Lufteinblasventil (18) zugeleitet. Ein zentrales Steuermodul
(19) verwaltet die einzelnen Signale, die von den innerhalb der
Verbrennungsräume
angeordneten Sensoren zur Druck- bzw. Klopferfassung, innerhalb
des Abgasstrangs angeordneten Emissionssensoren sowie von den Temperatur-
und Drucksensoren der jeweiligen Kraftstoff-, Trägergas- und Luftzuleitungen
sowie der Gemischkammer geliefert werden.
Die
Aufbereitung des Trägergases
erfolgt aus der Umgebungsluft über
einen Luftfilter (20) und einen Luftverdichter (21),
der das nichtkryogene Lufttrennsystem (22) speist, so dass
das Trägergas nach
zusätzlicher
Verdichtung durch einen Trägergasverdichter
(23) im Trägergashochdruckspeicher (10)
vorgehalten werden kann. Das nach der Verbrennung auf Grund seiner
Reaktionsunfähigkeit
unveränderte
Trägergas
wird in einem Abgasaufbereitungssystem (24) aufbereitet,
mit dem die Temperatur des Abgases gesenkt sowie unerwünschte und störende Restgase
entfernt werden und das die Restabgase über die Abgasleitung (26)
verlassen, und dem Lufttrennsystem (22) nach zusätzlicher
Verdichtung durch einen Abgasverdichter (25) erneut zugeführt, so
dass bis auf einige geringe Verluste eine weitgehende Aufbereitung
des einmal eingebrachten Trägergases
erfolgt und nur die auftretenden Verluste durch Hinzufügen eines
aus der Umgebungsluft gewonnenen Anteils gedeckt werden müssen.