DE19514500A1 - Fremdgezündete Brennkraftmaschine mit geschichteter Ladung und regelbarer Turbulenzerzeugung - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die fremdgezündete Brennkraftmaschine, welche hier auch als Ottomotor bezeichnet wird. Einerseits wird ein neues Konzept für Ottomotoren vorgeschlagen und andererseits läßt sich diese Erfindung in bestimmten Ausformungen auf bestehende Ottomotoren anwenden, so daß diese verbessert betrieben werden können. (Letzteres kann als vorteilhaft im Bezug auf die Anwendbarkeit dieser Erfindung angesehen werden.)

Heutige Ottomotoren erzeugen nach wie vor hohe Rohemissionen und werden in der Regel weitab vom optimalen Wirkungsgrad betrieben. Dies gilt insb. für bestimmte Betriebspunkte, wie z. B. den Kaltstart. Diese Erfindung richtet sich primär auf die Senkung der Rohemissionen und/oder die Erhöhung des Wirkungsgrads.

Zur Senkung der Emissionen wird heute häufig ein nachgeschalteter Katalysator eingesetzt. In einer bestimmten Ausformung dieser Erfindung wird auch ein solcher Katalysator im Konzept berücksichtigt, mit dem Ziel, dessen Effizienz zu erhöhen und/oder dessen Kosten zu senken.

Daneben ergeben sich durch diese Erfindung weitere untergeordnete Vorteile, die im Text genannt werden.

Die Senkung der Rohemissionen und die Erhöhung des Wirkungsgrads wird erfindungsgemäß durch die Kombination eines Schichtladungskonzeptes mit einer regelbaren, effizienten Turbulenzerzeugung im Brennraum (insb. während der Verbrennung) erreicht.

Mit einer Schichtladung (stratified charge) wird angestrebt, den größten Teil der Ladung Kraftstoff-arm (mager) gestalten zu können und nur an der Zündquelle ein für die Zündung (und frühe Entflammungsphase) ausreichend fettes Gemisch zur Verfügung zu stellen. Es ist bekannt, daß dadurch die Rohemissionen (insb. CO und NOx) erheblich reduziert werden können, ähnlich wie auch beim Magermotor mit homogener Ladung [Heywood, S. 37-40]. Es ist auch bekannt, daß dadurch der Wirkungsgrad aus verschiedenen Gründen gesteigert werden kann, insb. im Teillastbereich (durch eine Diesel-ähnliche Regelung der Leistung über die zugeführte Kraftstoffmenge). Weiterhin verwendeten Kraftstofftyp erreicht und die Neigung zu klopfender Verbrennung kann durch späte Zugabe von Kraftstoff reduziert werden.

Übliche Schichtladungskonzepte sind z. B. der Vorkammermotor oder mittels Direkteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum. Der Vorkammermotor weist bekanntlich einen zerklüfteten Brennraum auf und hat daher gesteigerte HC-Emissionen. Die Direkteinspritzung von Kraftstoff zur Schichtladungserzeugung ist nachteilig bei häufigem Wechsel von Last und Drehzahl wie im realistischen Betrieb. Es ist eine weitergehende Aufgabe dieser Erfindung, diese Nachteile der bisherigen Schichtladungskonzepte zu vermeiden und bei jedem Betriebspunkt und beim Wechsel desselben eine geeignete Schichtladung zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise wird daher die Schichtladungserzeugung im Rahmen dieser Erfindung steuerbar oder regelbar ausgeformt. Dies ist ein besonderer Vorteil gegenüber anderen Arten der Schichtladungserzeugung, wie z. B. durch bestimmte Brennraumformen, die nicht oder nicht genügend regelbar und daher nicht ausreichend an den Betriebspunkt anpaßbar, sondern sogar oft stark von diesem abhängig sind.

Es ist auch eine Aufgabe dieser Erfindung, keine spezielle Brennraumform zu benötigen, sondern im Prinzip an nahezu jede Brennraumform adaptierbar zu sein. Es ist ein besonderer Vorteil, daß dadurch auch besonders einfache (unzerklüftete) Brennraumformen in Frage kommen, was einerseits die Kosten und andererseits die HC- Emissionen senken kann.

Diese Freiheit im Bezug auf die verwendete Brennraumform (und die Form des Einlaßkanals etc.) wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Gemischbildungsvorgang und der Verbrennungsablauf, die gewöhnlich durch bestimmte Formen von Brennraum, Ventilen und Einlaßkanal etc. gezielt beeinflußt werden, hier durch die Einblasung von Gasen über einen weiten Bereich beeinflußbar werden. Zum Beispiel können gewisse bekannte Maßnahmen zur Erzeugung von Turbulenz wie z. B. Quetschflächen, gewundene Einlaßkanäle oder spezielle Kolbenmulden entfallen, da durch die Einblasung alleine die gewünschte Turbulenz erzeugt werden kann. Häufig werden auch Maßnahmen zur gezielten Anregung gewisser Ladungsbewegungen (z. B. Drall) ergriffen. Auch dies kann in einer Ausformung der Erfindung durch Einblasen erreicht werden, indem die Einblasung an einer geeigneten Brennraumstelle mit geeigneter Richtung angebracht und zeitlich entsprechend gesteuert wird.

Es wird hier der Weg eines Schichtladungskonzeptes mit zwei Zuführungsorganen beschritten, d. h. in der Regel wird der weitaus größte Teil des Kraftstoffs dem Brennraum auf dem "normalen" Wege, d. h. über das (oder die) Einlaßventil(e) oder durch Es wird hier der Weg eines Schichtladungskonzeptes mit zwei Zuführungsorganen beschritten, d. h. in der Regel wird der weitaus größte Teil des Kraftstoffs dem Brennraum auf dem "normalen" Wege, d. h. über das (oder die) Einlaßventil(e) oder durch Einblasung zugeführt. Das erste, hier nicht näher zu spezifizierende Organ stellt den in der Regel stark abgemagerten Großteil der Ladung bereit.

Schichtladungskonzepte als solche haben weiterhin gewöhnlich den Nachteil, daß der abgemagerte Großteil der Ladung verlangsamt durchbrennt, ähnlich wie beim Magermotor mit homogener Ladung oder auch bei Abgasrückführung. Dadurch steigen gewöhnlich die HC-Emissionen (unverbrannte Kohlenwasserstoffe), der Wirkungsgrad (thermische) wird beeinträchtigt und der Motor neigt zu zyklischen Leistungsschwankungen. Es ist auch ein weitergehender Vorteil dieser Erfindung, diese Probleme von Schichtladungs- und Magerkonzepten lösen zu können. Ein besonderer Bedarf an erhöhter Durchbrenngeschwindigkeit besteht beim Kaltstart und in der Warmlaufphase.

Dies wird erfindungsgemäß durch die Erzeugung von Turbulenz im Brennraum (insb. während der Verbrennung) erreicht. Es ist bekannt, daß Turbulenz eine stark erhöhende Wirkung auf die Durchbrenngeschwindigkeit auch bei mageren oder mit Abgas versetzten Gemischen hat.

Die Erzeugung der Turbulenz erfolgt vorzugsweise ebenfalls regelbar, d. h. nicht nur in ihrer Stärke über einen weiten Bereich einstellbar, sondern auch gezielt zum richtigen Zeitpunkt während des Arbeitsspiels. So kann z. B. beim Kaltstart eine wesentlich stärkere Turbulenz im Brennraum erzeugt werden als im warmen Betrieb.

Die Regelbarkeit des Zeitpunktes der Turbulenzerzeugung kann neben der Erhöhung der Durchbrenngeschwindigkeit zum Erreichen weiterer Vorteile eingesetzt werden: Z.B. kann mit demselben Turbulenzerzeuger während Einlaß- und/oder Kompressionsphase die Gemischaufbereitung verbessert werden oder es können während der späten Expansions- und/oder der Auslaßphase die chemischen Nachreaktionen im Brennraum gefördert werden (was z. B. zur weiteren Senkung der HC-Emissionen dienen kann).

Schichtladung und Turbulenzerzeugung werden erfindungsgemäß durch die direkte Einblasung von Gasen (vorzugsweise desselben Gases) in den Brennraum erzeugt. Eines der Gase, das in der Nähe der Zündquelle (in der Regel Zündkerze) eingeblasen wird, enthält Kraftstoff als Dampf oder in z. T. noch flüssiger Form, so daß die Ladung die gewünschte Schichtung bekommt. (Als Zündquelle wird hier der Ort - oder die Orte - im Brennraum bezeichnet, wo die Zündung, z. B. durch einen Funken, gezielt ausgelöst wird). Vorzugsweise erfolgt die Einblasung der Gase durch ein und dieselbe Öffnung, die z. B. in eine speziell zu modifizierende Zündquelle zu integrieren ist. Dadurch kann dieses Verfahren an bestehende Ottomotoren adaptiert werden.

Die Einblasung von Kraftstoff-enthaltendem Gas zu einem im Prinzip frei wählbaren Zeitpunkt direkt in die Nähe der Zündquelle hat gegenüber anderen Schichtladungskonzepten auch den Vorteil, daß der fettere Teil an der Zündquelle auf diesen Ort bis zur Zündung konzentriert bleibt, also im wesentlichen nicht auseinanderläuft, und daher der fettere Teil auf einen minimalen Bruchteil der Gesamtladung reduziert werden kann. Das Auseinanderlaufen des fetteren Teils ist bekanntlich ein Problem vieler anderer Schichtladungskonzepte.

Die Einblasung der Gase erfolgt vorzugsweise gepulst, d. h. während bestimmter Zeitabschnitte im Laufe des Arbeitsspiels des Ottomotors. Die oben genannte Regelbarkeit von Zeitpunkt und Menge der zugegebenen Gase ist z. B. durch die Verwendung von elektronisch ansteuerbaren Magnetventilen zu bewerkstelligen.

Es ist an sich bekannt, daß Turbulenz im Brennraum sehr effektiv durch einen eingeblasenen Gasfreistrahl erzeugt werden kann. Der gleiche Anmelder schlägt in P 44 38 735.0 die Einblasung eines Gases zur Erhöhung der Turbulenz und Ladungsbewegung beim Kaltstart eines Ottomotors vor. Diese Art der Turbulenzerzeugung hat gegenüber anderen (z. B. spezielle Ausformungen von Einlaßkanal, Ventilen, Kolbenmulden) die Vorteile, daß a) eine starke Turbulenz zum erwünschten Zeitpunkt, d. h. in der Regel kurz vor oder während der Verbrennung, erzeugt werden kann (was durch "externe" Maßnahmen wie z. B. die genannten Ausformungen von Einlaßkanal und Ventilen schwierig ist), und daß b) die Turbulenzerzeugung schnell, d. h. im Prinzip von einem Arbeitszyklus zum nächsten, über einen weiten Bereich reguliert (elektronisch gesteuert oder geregelt) werden kann. Letzteres bedeutet wie bereits erwähnt, daß die Turbulenzerzeugung damit an den jeweiligen Betriebspunkt und die Änderung desselben ("dynamisches Verhalten") angepaßt werden kann, was ein wesentliches Kennzeichen ist.

NOx-Bildung, HC-Freisetzung und Wirkungsgrad hängen bei der ottomotorischen Verbrennung allgemein stark vom jeweiligen Verbrennungsablauf, insb. den dabei auftretenden Drücken und Gastemperaturen in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel, ab. In der Regel steht beim einfachen Ottomotor zur Anpassung des Verbrennungsablaufs an die Eingangsparameter (Last, Drehzahl und auch Motortemperatur insb. beim Kaltstart), die über einen weiten Bereich variieren, nur der Zündzeitpunkt (seltener variable AGR- Rate oder variable Ventilsteuerzeiten) als freier Parameter zur Verfügung (die mittlere Stöchiometrie wird häufig durch die heute verwendeten Katalysatoren vorgegeben). Daher müssen häufig Kompromisse zwischen den verschiedenen Emissionen und dem Wirkungsgrad eingegangen werden. Durch die Regulierbarkeit der Durchbrenngeschwindigkeit (über Turbulenz) und der lokalen Stöchiometrie (Schichtladung) entstehen neue freie Parameter ("Stellglieder"), so daß der Verbrennungsablauf im einzelnen wesentlich besser an die Eingangsparameter angepaßt werden kann. Zum Beispiel wird bei magerem Betrieb ein genügend frühzeitiges Durchbrennen (z. B. zur Vermeidung von hohen HC-Emissionen) durch Vorverlegen des Zündzeitpunkts erreicht, wobei aber der Wirkungsgrad sinkt, da ein Teil der chemischen Energie vor dem oberen Totpunkt umgesetzt wird. Dies kann z. B. durch die Erfindung vermieden werden, indem der Zündzeitpunkt nicht vorverlegt wird und ein hinreichend schnelles Durchbrennen entweder durch Turbulenzsteigerung oder durch ein Verkürzen der Entflammungsphase durch Schichtladung herbeigeführt wird.

Bekanntlich kann eine verminderte Neigung des Motors zu klopfender Verbrennung z. B. über ein erhöhtes Kompressionsverhältnis zu größerem Wirkungsgrad ausgenutzt werden. Die Neigung zu klopfender Verbrennung kann erfindungsgemäß wie folgt reduziert werden: Der Großteil der Ladung ist mehr oder weniger stark abgemagert und neigt deshalb zunächst nicht zum Klopfen. Bei dem wesentlich kleineren, fetteren Teil der Ladung kann explosionsartige Verbrennung u. U. toleriert werden. Einen starken Einfluß auf die Klopfneigung hat dabei der Turbulenzgrad, der hier variabel eingestellt werden kann. Klopfen, insb. in der frühen Verbrennungsphase, kann auch dadurch vermieden werden, daß die Erhöhung des Turbulenzgrads durch Gas-Einblasung erst zum geeigneten Zeitpunkt während der Verbrennung eingesetzt wird. Die Regelbarkeit des Turbulenzgrads ermöglicht es, den Motor in einem weiten Betriebsbereich nahe an der Klopfgrenze zu betreiben und auch dadurch den Wirkungsgrad zu optimieren.

Es kann auch sinnvoll sein, insb. die frühe Flammenkernentwicklung zu beschleunigen, indem die fette Verbrennung in der frühen Phase zusätzlich gezielt durch Turbulenz gefördert wird.

Ausformungen: Ein besonderer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, daß zwei wichtige verbrennungsrelevante Parameter, nämlich Turbulenz im Brennraum und lokale Stöchiometrie, über eine Öffnung in der Zündkerze von außen einstellbar werden. Zur Turbulenzerzeugung während der Kompressions- und/oder Verbrennungsphase ist Gas mit einem Hinterdruck von einigen bar nötig. (Kraftstoff muß ebenfalls mit höherem Druck zur Verfügung stehen, um eine Einblasung in der Kompressionsphase zu ermöglichen.) Bei Verwendung von flüssigem Kraftstoff ist zur Erzeugung einer im Endzustand (d. h. kurz vor der Zündung) im wesentlichen dampfförmigen Kraftstoffwolke an der Zündkerze entweder Kraftstoffdampf dem Haupt-Gemischbildner (Vergaser, Einspritzung ins Saugrohr) - soweit vorhanden - zu entziehen oder ein Neben- Gemischbildner zur Versorgung der Einblasung vorzusehen oder ein (miniaturisierter) dezentraler Gemischbildner in der Nähe jeder Zündkerze zu realisieren. Letztere Möglichkeit ist vorteilhaft, weil dabei der zur Turbulenzerzeugung verwendete Gasstrom auch zur Gemischbildung ausgenutzt werden kann und daher der technische Aufwand besonders gering ist. Im einfachsten Falle wird dem Gas-führenden Rohr zur Turbulenzerzeugung flüssiger Kraftstoff mittels eines T-Stückes (5) zugeführt, wie in Abb. 1 dargestellt. Die in Abb. 1 dargestellte modifizierte Zündkerze wird wie üblich in einen Ottomotor eingesetzt. (Es wurde auf die Darstellung eines vollständigen Ottomotors verzichtet, weil zunächst keine besonderen Anforderungen an Brennraumform und sonstige Geometrien und Techniken bestehen.) Auch bei Verwendung eines flüssigen Kraftstoffs wird der Kraftstoffstrom (2) ähnlich wie im Vergaser durch den Gasstrom (1) "mitgerissen", zerstäubt, bildet einen Wandfilm im Gas-führenden Rohr und verdampft (mindestens teilweise) etwas weiter stromabwärts. Weitere Zerstäubung, Verdampfung und Vermischung mit dem Gas wird durch die Freistrahlexpansion in den Brennraum erreicht: Insb. bei Verwendung eines Überschallstrahls treten hohe Relativgeschwindigkeiten auf (insb. in den Randbereichen der Expansion), die die Gemischbildung fördern. Um die Eigenschaften dieses "dezentralen Gemischbildners" weiter zu verbessern, kann der Zusammenführung von Gas und flüssigem Kraftstoff weitere Kennzeichen eines einfachen Vergasers [Heywood, S. 282ff] verliehen werden, wie es in Abb. 2 angedeutet ist.

Die Magnetventile (3) und (4) steuern die Pulslängen von Gasstrom (1) zur Turbulenzerzeugung und Kraftstoffzuführung (2); sie stellen in dieser Ausformung wichtige, elektronisch regelbare Stellglieder am Motor dar, deren Rolle bereits ausführlich dargestellt wurde. (Das Totvolumen zwischen der Öffnung der Zündkerze zum Brennraum und den Magnetventilen ist möglichst klein zu gestalten, da sonst erfahrungsgemäß die Gefahr besteht, daß die Zündung durch die Kompression "ausgeblasen" wird. Alternativ wäre zur Vermeidung dieses Effektes ein Rückschlagventil direkt hinter der Zündkerze, also vor dem T-Stück, einzusetzen.) Wie Abb. 1 zeigt ist die Realisierung dieser Erfindung im Prinzip einfach, was ein besonderer Vorteil ist.

Wie bereits erwähnt kann Luft als eingeblasenes Gas sowohl für die Turbulenzerzeugung als auch für die Schichtladung verwendet werden. Daneben ist z. B. auch die Verwendung von Abgas möglich, insb. zur Turbulenzerzeugung. Wenn Abgas ebenfalls zum Transport des Kraftstoffs in den Brennraum verwendet wird, ist zu beachten, daß dadurch der Abgasgehalt an der Zündkerze zum Zündzeitpunkt ansteigt, was sich im allgemeinen negativ auf die Zündfähigkeit des Gemisches auswirkt. Aufgrund der starken Vermischung des Freistrahls mit der umgebenen (mageren) Ladung ist jedoch u. U. dennoch ein zündfähiges Gemisch an der Zündkerze zu erreichen. (Es ist auch möglich, die Energie des heißen Abgases unter hohem Druck zum Pumpen von Kraftstoff-Luft-Gemisch zu verwenden.) Die Verwendung von Abgas, wenigstens zur Turbulenzerzeugung, wäre vorteilhaft, da auf diese Weise u. U. ein Kompressor (o. ä.) zur Bereitstellung eines genügenden Gas-Hinterdrucks eingespart werden könnte: Abgas mit hohem Druck (z. B. 10 bar) kann dem Motor während der Expansionsphase (nach weitgehend abgeschlossener Verbrennung) entzogen werden (z. B. über eine der Öffnungen, die zur Einblasung verwendet werden). Dabei wird dem Zylinder während der Expansionsphase Energie entzogen, so daß die geleistete mechanische Arbeit sinkt. Dies kann tolerabel oder sogar erwünscht sein, insb. beim Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase. Erfahrungsgemäß zeigt ein modifizierter Viertakt- Motor aufgrund der Einblasung eine erhebliche Wirkungsgradsteigerung (gemessen: etwa Faktor 2) in der Warmlaufphase, so daß u. U. mehr mechanische Arbeit freigesetzt würde, als benötigt wird. Insbesondere beim Einsatz dieser Erfindung als reine Starthilfe ist daher die Verwendung von Abgas unter hohem Druck zur Einblasung vorteilhaft. Folgende Realisierungen wären bei (Viertakt-) Mehrzylindermotoren denkbar: Im Expansionstakt (z. B. 60-900 KW) wird einem Zylinder Gas unter hohem Druck entnommen, das in einen anderen Zylinder, der sich gerade im Kompressionstakt befindet, eingeblasen wird. Auf diese Weise würde die Kaltstart-Hilfe beim Viertakt- Vierzylinder-Motor in einer einfachen Form wie in Abb. 3 dargestellt aussehen. Es wird jeweils dasjenige der Magnetventile (4) zwischen zwei Zylindern geöffnet, die sich im Expansionstakt und Kompressionstakt befinden. (Beim Sechszylinder-Viertaktmotor ist eine Realisierung auf Basis des 120°-Versatzes zwischen den Zylindern durch geeignete Wahl der Ansteuerzeiten u. U. auch möglich.) Die Magnetventile (3) dienen zum zeitlich definierten Einleiten von Kraftstoffdampf, in diesem Fall durch die Zündkerzen. Der Kraftstoffdampf muß dabei unter entsprechend hohem Druck zur Verfügung gestellt werden (6).

Es wäre sinnvoll, diese Konfiguration durch einen Druckspeicher zu ergänzen, denn dadurch würden a) die Zeitpunkte für Zu- und Abführung des Gases zum/vom Zylinder unabhängig voneinander eingestellt werden können, b) das Abkühlen des abgeführten Gases besser gewährleistet werden (um frühzeitige Zündungen während der Kompressionsphase zu vermeiden), c) zyklische Schwankungen vermieden werden (die sonst dadurch entstehen könnten, daß die Gas-Einblasung vom jeweiligen Verbrennungsablauf in einem anderen Zylinder abhängt), und d) Verfügbarkeit von Gas unter hohem Druck vom ersten Zyklus an gewährleistet. Die Abb. 4 zeigt eine Konfiguration mit Druckspeicher (7), die aber ansonsten der Konfiguration in Abb. 3 entspricht. Die in der Abb. 4 dargestellten Magnetventile (4) werden jeweils im Kompressions- und Expansionstakt geöffnet.

Abb. 5 zeigt eine weitere Konfiguration, die sich von Abb. 4 dadurch unterscheidet, daß Turbulenzerzeugung und Kraftstoffzugabe wie oben dargestellt über die Zündkerze erfolgen. Hier erfolgt die Kraftstoffverdampfung - sofern flüssiger Kraftstoff verwendet wird - wie anhand von Abb. 1&2 dargelegt. Dementsprechend muß hier flüssiger Kraftstoff unter genügend hohem Druck zur Verfügung gestellt werden (8).

Das Einsparen eines Kompressors läßt sich in analoger Weise auch erreichen, indem dem Zylinder in der späten Kompressionsphase Gas unter hohem Druck entzogen wird, das dann in der früheren Kompressionsphase (oder auch späteren Einlaßphase beim Viertaktmotor) zugeführt wird. Dies hat gegenüber der Verwendung von Abgas zum Einblasen den Vorteil, daß der Abgasanteil an der Zündkerze nicht erhöht wird, so daß auch die Turbulenzerzeugung gefahrlos über die modifizierte Zündkerze erfolgen kann. Es sind Konfigurationen wie in Abb. 5&6 (vorzugsweise Abb. 6) möglich. Auch eine Konfiguration ohne Druckspeicher (7), ähnlich wie in Abb. 3, ist u. U. möglich: Z.B. kann beim Sechszylinder-Viertaktmotor der 120°-Versatz im Arbeitsspiel der Zylinder als Zeitunterschied zwischen Zuführung in früher Kompressionsphase und Abführung in später Kompressionsphase ausgenutzt werden.

Es sei auch bemerkt, daß auch durch die Abführung von Gas aus dem Zylinder selbst Turbulenz in selbigem erzeugt werden kann.

(Offenbar wird die freie Wählbarkeit des Einblas-Zeitpunktes durch diese Ausformungen eingeschränkt. Es ist dabei aber zu beachten, daß ein spätes Einblasen in der Kompressionsphase in der Regel sinnvoll ist, damit die Turbulenz bis zur Verbrennung nicht zu stark abgeklungen ist. Die Zeitkonstante des Abklingens der Turbulenz hängt dabei mit dem typischen Durchmesser der größten angeregten Wirbel zusammen, da die Wirbel im allgemeinen kaskadenartig zerfallen. Deshalb kann es sinnvoll sein, gezielt große Wirbel, d. h. im Extremfall kollektive Ladungsbewegungen, anzuregen. Die Größe der Wirbel läßt sich bekanntlich z. B. durch die Größe der Einblasungsöffnung erhöhen.)

Ein eventuell dem Ottomotor nachgeschalteter Katalysator zur Abgasnachbehandlung wird erfindungsgemäß wie folgt in das Konzept mit einbezogen: Auf einen 3Wege-Katalysator kann wegen der erheblich (z. B. Faktor 10) reduzierten NOx-Emissionen aufgrund einer im Mittel sehr mageren Verbrennung (z. B. λ 1.6) u. U. verzichtet werden. Statt dessen ist z. B. ein billigerer Oxidationskatalysator zur Beseitigung der übrigen HC- und CO-Emissionen einzusetzen.

Sollen die NOx-Emissionen weiter reduziert werden, so muß bei Verwendung eines heutigen 3Wege-Katalysators eine genügende Menge CO vom Motor freigesetzt werden. Eine "künstlich" herbeigeführte Erhöhung der CO-Rohemissionen kann z. B. dadurch geschehen, daß ein gewisser Bruchteil der Arbeitszyklen fett(er) betrieben wird, denn die CO-Produktion ist in erster Linie eine Frage der Stöchiometrie. (Alternativ könnte bei einem Mehrzylindermotor einer der Zylinder fetter betrieben werden. Um zyklische Leistungsschwankungen aufgrund dieser Stöchiometrieunterschiede zwischen Zyklen bzw. Zylindern zu vermeiden, könnten diese durch Anpassen von Zündzeitpunkt und/oder Turbulenzerzeugung kompensiert werden, so daß jeweils die gleiche mechanische Arbeit freigesetzt wird.) Insgesamt könnte damit wieder das gewünschte Gleichgewicht zwischen NO- und CO-Rohemissionen zum Betreiben eines 3Wege­ Katalysators erreicht werden, aber auf einem weitaus niedrigeren Niveau im Vergleich mit dem heute üblichen Betrieb bei λ = 1.0. Wegen des niedrigeren Niveaus an Rohemissionen könnte der 3Wege-Katalysator kleiner gebaut werden, wodurch Kosten gesenkt werden könnten.

Ein besonderes Problem stellt heute das schnelle Aufheizen des Katalysators beim Kaltstart dar. Dazu könnte im Rahmen dieser Erfindung die beim Kaltstart und der Warmlaufphase freigesetzte Mehrarbeit des Motors aufgrund eines erheblich verbesserten Wirkungsgrads (gemessen etwa Faktor 2), bzw. das wesentlich höhere Zylinderdruckniveau im Expansionstakt, ausgenutzt werden. Die freiwerdende mechanische Mehrarbeit des Motors könnte zum einen elektrisch (z. B. durch "rückwärts"-Betreiben des Anlassermotors) dem Katalysator zum schnellen Aufheizen zugeführt werden. Zum anderen wäre die Aufheizung des Katalysators auch durch heißes Abgas denkbar, das wie oben bereits beschrieben während des Expansionstaktes den Zylindern entnommen wird. Diese Maßnahme könnte mit der oben beschriebenen Entnahme von heißem Abgas gekoppelt durchgeführt werden. Dies hieße z. B., daß ein Teil des Gases zum o.g. Druckbehälter (7) und ein anderer Teil zum Katalysator geleitet würde, oder daß das Gas über den Katalysator zum Druckbehälter (7) geleitet würde.

Fundstellen: [Heywood] Heywood, J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, 1988.

Claims (14)

1. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades und des Emissionsverhaltens einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einblasen eines Gases oder eines Gemisches aus Gas und Kraftstoff in den Brennraum sowohl eine Schichtladung als auch eine gegenüber dem Normalbetrieb erhöhte Turbulenz des Kraftstoffgemisches erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasung der Gase gepulst erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einblasung der Gase in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Motors gesteuert oder geregelt erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenz-erzeugende Gas und das Kraftstoff-enthaltende Gas durch dieselbe Öffnung in der Nähe der Zündquelle in den Brennraum eingeblasen werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnung(en) zur Einblasung der Gase in die Zündquelle (z. B. Zündkerze) integriert ist (sind).

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Turbulenz-erzeugendes Gas und/oder als Kraftstoff-enthaltend es Gas Luft und/oder Abgas und/oder Kraftstoffdampf verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Turbulenzerzeugung eingeblasene Gas (z. T.) auch Kraftstoff enthält und damit auch zur Erzeugung der Schichtladung verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Turbulenzerzeugung eingeblasene Gas (z. T.) auch zur Verdampfung eines flüssigen Kraftstoffs und damit auch zur Erzeugung der Schichtladung verwendet wird, indem z. B. der flüssige Kraftstoff dem Gasstrom zugeführt wird (ähnlich wie im Vergaser) und/oder der flüssige Kraftstoff durch die Expansion eines Gas/Kraftstoff-Gemisches in den Brennraum hinein verdampft.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Turbulenzerzeugung und /oder Zuführung von Kraftstoff verwendete Gas unter hohem Druck zuvor demselben oder bei Mehrzylindermotoren einem anderen Zylinder während der Kompressions- oder Expansionsphase entzogen wurde.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 u. 9, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Kompressions- oder Expansionsphase demselben oder einem anderen Zylinder entnommene Gas in einem Druckspeicher (7) zwischengespeichert wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 u. 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entnahme des Gases aus demselben oder einem anderen Zylinder eine der Öffnungen (und Organe) zur Gas-Einblasung verwendet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Kaltstart/der Warmlaufphase des Motors mehr Hochdruckarbeit erzeugt wird, als in Form von mechanischer Arbeit benötigt wird und die Mehrarbeit zum schnellen Aufheizen des nachgeschalteten Katalysators eingesetzt wird.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Hochdruckarbeit des Motors über einen Generator elektrisch oder in Form von heißem Gas, das im Expansionstakt dem Brennraum entzogen wurde (z. B. über eine der Öffnungen, die zum Einblasen der Gase verwendet werden), dem Katalysator zum schnellen Aufheizen zugeführt wird.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die geeignete Einstellung von Stöchiometrie, Turbulenz und Zündzeitpunkt und dadurch ermöglichtes unterschiedliches Betreiben eines gewissen Bruchteils der Arbeitszyklen und/oder bei Mehrzylindermotoren der Zylinder gewisse Komponenten der Rohemissionen im für einen bestimmten Katalysator geeigneten Verhältnis, insb. NOx im Verhältnis zu CO, freigesetzt werden.