DE19721096A1

DE19721096A1 - Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19721096A1
Application number: DE19721096A
Authority: DE
Inventors: Yukuaki Mitarai; Takashi Mizusawa; Shigeo Hagino
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 1998-11-26
Also published as: US5806483A; FR2764342B1; JPH09256854A; FR2764342A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine, welche vermittels Zündkerzen zündet und Benzin, Methanol, LPG (verflüssigtes Petroleumgas) o. dgl. als Kraftstoff verwendet, und insbesondere auf ein Verbrennungsverfahren, welches das Auftreten eines Klopfens verhindern kann, selbst wenn ein Kraftstoff verwendet wird, dessen Zündtemperatur nieder ist.

Eine Verbesserung der thermischen Effizienz von Benzinmaschinen hängt von der Wärmemenge, welche in dem Quellenkraftstoff gehalten wird und während der Kompressions- und Expansionshübe in die Kolben extrahiert wird, um soviel Arbeit als möglich zu erzeugen, ab und hängt ferner davon ab, daß sie von der Kurbelwelle mit so geringen Verlusten wie möglich abgezogen wird. Aus diesem Grund ist die Verwendung hoher Kom pressionsverhältnisse etc. wichtig. Da das Kompressionsverhältnis hauptsächlich durch die Grenzen des Klopfens bestimmt ist, ist das Kompressionsverhältnis dadurch beeinflußt, ob ein Klopfen effektiv unterdrückt werden kann.

Der Mechanismus, welcher zum Klopfen führt, wird theoretisch wie folgt erklärt. Das Klopfen wird durch nicht verbranntes Gas (Endgas) eines Endabschnitts der Flammenausbreitung eines Luft/Kraftstoff-Gemisches verursacht, welches spontan zündet, bevor die Flamme ankommt und zu einer explosiven Verbrennung führt. Mit anderen Worten, bei Benzinmaschi nen wird das Luft/Kraftstoff-Gemisch durch den in dem Zylinder im Kompressionshub ansteigenden Kolben komprimiert und das Luft/Kraftstoff-Ge misch wird mit Erwartung einer Zündverzögerung und einer Feuerver zögerung unmittelbar bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht gezündet. Luft und Kraftstoff werden bei der Verbrennung teilchenartig diffundiert, welche durch diese Zündung erzeugt wird, um eine Flamme zu erzeugen, und die Verbrennung des Luft/Kraftstoff-Gemisches schreitet vermittels der Flammenausbreitung voran. Das Luft/Kraftstoff-Gemisch wird jedoch in seinem nicht verbrannten Zustand komprimiert, aufgrund der Tatsache, daß die Flammenausbreitung verzögert wird, oder, als Ergebnis dieser Verzögerung, in einer feuerauslöschenden Schicht oder einem Bereich, in dem der Kraftstoff im Bereich der Verbrennungskammerwandung verdünnt ist. Das in seinem nicht verbrannten Zustand komprimierte Luft/Kraftstoff-Gemisch ist als Endgas bekannt.

Obgleich das Benzin in dem Endgas während des Vorgangs des Kom pressionshubs einer Zerlegung ausgesetzt ist, um Aldehyde o. dgl. zu erzeugen, wird das Luft/Kraftstoff-Gemisch, welches diese enthält, komprimiert, ohne zu zünden, selbst wenn es die Zündtemperatur erreicht, und zündet und verbrennt spontan, unbeachtlich der Flammenausbreitung während der Zündung durch Zündkerzen. Diese Verbrennung ist sehr explosiv, was zu einem scharfen Druckanstieg führt, der zum Klopfen führt.

Daher wirkt das Verbrennen des Endgases durch normale Flammenaus breitung als eine Maßnahme zum Verhindern des Klopfes. Insbesondere:

(1) Senken des Kompressionsverhältnisses (auf ungefähr 1/2 desjenigen einer Dieselmaschine).
(2) Verwenden eines Kraftstoffes mit hohem Oktangehalt, welcher eine hohe Zündtemperatur aufweist.
(3) Kühlen der Wandung auf der Zylinderseite, um die Temperatur der feuerauslöschenden Schicht zu senken und eine spontane Zündung der feuerauslöschenden Schicht zu verhindern.
(4) Bewirken eines intensiven Wirbels im Zylinder, um die Flammen ausbreitungsgeschwindigkeit vermittels einer Homogenisierung und einer bewegten Strömung des Luft/Kraftstoff-Gemisches zu erhöhen.

Diese Maßnahmen sind jedoch alle auf der Grundlage getroffen worden, daß die Erzeugung von Endgas unvermeidbar ist, und es kann somit gesagt werden, daß aus dem Gesichtspunkt des Kraftstoffverbrauchs diese Maßnahmen sehr unökonomisch sind. Neben den obigen Maßnahmen ist ein Verfahren (5) zum Verhindern des Klopfens durch Vorsehen eines Katalysa torbetts an den Zylinderwandungen, dem Zylinderkopf und den oberen Oberflächen bzw. hervorstehenden Oberflächen des Kolbens bekannt. Mit anderen Worten, durch bevorzugte Verbrennung der flammenauslöschenden Schicht, welche in der Umgebung der Wandung der Verbrennungskammer erzeugt wird, vermittels eines Katalysators verhindert dieses Verfahren eine explosive spontane Zündung der flammenauslöschenden Schicht, wodurch das Klopfen verhindert wird, wobei ferner durch Auswahl des Katalysators eine Verringerung des NOx, HC (Kohlenwasserstoffe), CO, etc. in dem Verbrennungsgas möglich ist.

Es gibt ferner ein Verfahren (6) zum Verhindern des Klopfens durch Vorsehen einer Anzahl an Verbrennungskammern, Vorsehen von Zündker zen in jeder Verbrennungskammer und Synchronisieren der Zündung des Luftkraftstoffgemisches in jeder Verbrennungskammer. Da jedoch Maschi nen, bei welchen derartige Maßnahmen getroffen worden sind, ebenso die Erzeugung von Endgas voraussetzen, sehen sie hinsichtlich des Kraftstoff verbrauchs ebenso wie bei den vorangehenden Verfahren (1) bis (4) einen Kompromiß vor. Ferner wird bei dem Verfahren zum Verhindern des Klopfens durch Vorsehen eines Katalysatorbetts an den Zylinderwandungen, dem Zylinderkopf und den oberen Oberflächen des Kolbens der gesamte in einem Zyklus verwendete Kraftstoff in dem Ansaughub eingelassen, und die Temperatur des Katalysatorbetts steigt natürlicherweise an, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer verfrühten Zündung hoch ist und es besteht die Wahrscheinlichkeit, daß die durch die Verbrennung erzeugte Kraft eine negative oder Gegenkraft ist, und somit kann nicht gesagt werden, daß das Klopfen ausreichend verhindert werden kann. Ferner ist bei dem Verfahren (6) des Vorsehens von Zündkerzen in einer Mehrzahl von Verbrennungs kammern die Struktur der Maschine komplex und die Einstellungen zur Synchronisation sind schwierig.

Die vorliegende Erfindung ist auf die Lösung der Probleme bei den vor angehenden aus dem Stand der Technik bekannten Klopfverhinderungs maßnahmen (1) bis (6) gerichtet, und es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verbrennungsverfahren für Brennkraftmaschinen vorzusehen, welches das Auftreten von Klopfen verhindert und durch Verhindern der Erzeugung von Endgas die Wirtschaftlichkeit verbessert.

Das Verbrennungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet als Verfahren zum Zünden eines Luft/Kraftstoff-Gemisches in einer Verbrennungskammer ein Mehrfachzündungsverfahren und ist gekenn zeichnet durch das Einspritzen eines Teils von in einem Zyklus verwendeten Kraftstoff in die Verbrennungskammer, Verbrennen (Vorverbrennung) eines verdünnten Luft/Kraftstoff-Gemisches unter den Verbrennungsgrenzen bei einer Temperatur, welche niedriger ist als eine Selbstzündtemperatur des Kraftstoffs, Einspritzen des verbleibenden Kraftstoffs in die Verbrennungs kammer unmittelbar danach und Verbrennen (Hauptverbrennung) durch Flammenausbreitung unter Verwendung von Zündkerzen als Zündquellen. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß 1 bis 10% des in einem Zyklus verwendeten Kraftstoffs als ein verdünntes Luft/Kraftstoff-Gemisch verwendet wird, welches das 10-fache oder ein mehrfaches des 10-fachen eines theoretischen Luft/Kraftstoff-Ge misches ist, und dadurch, daß unmittelbar vor dem Ende des Kom pressionshubs, unmittelbar bevor ein Kolben den oberen Totpunkt erreicht, ein verbleibender Teil des Kraftstoffs unmittelbar vor dem Einspritzen in eine Verbrennungskammer durch ein Katalysatorbett verbrannt wird, welches bei einer Temperatur von 300 bis 500°C (Vorverbrennung) gehalten ist, und daß unmittelbar danach der verbleibende Teil des Kraftstoffs in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, um diesen zu zünden und zu verbrennen (Hauptverbrennung).

Ferner ist die vorliegende Erfindung gekennzeichnet durch die Verwendung eines Katalysatorbetts, umfassend ein aktives Metall, einen porösen anorganischen Träger und ein Trägermaterial, als das Vorzündmittel bei dem vorangehenden Verbrennungsverfahren, und dadurch, daß der Trägerkörper vom Igel-(hedgehog)-Typ oder Labyrinth-Typ ist. Es ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Typ von rostfreiem Stahl, Keramik, wie z. B. Sialon, Zirkoniumoxid o. dgl. und der poröse Träger als das Material des Trägermaterials verwendet werden, wobei der poröse anorganische Träger im wesentlichen aktiviertes Aluminiumoxid oder wenigstens einen Typ einer hitzebeständigen Verbindung, wie z. B. BaAl₁₂O₁₉CaO.6Al₂O₃ und M_xZrO_y o. dgl. und ein Edelmetall oder Ni, Co, Cr, Mo, V o. dgl. mit ähnlichen Eigenschaften wie Edelmetalle als das aktive Metall umfaßt.

Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden Beschreibung, der beiliegenden Ansprüche und der beiliegenden Zeichnungen augenscheinlich, in welchen:

Fig. 1 eine Gesamtansicht ist, die ein Beispiel einer Maschine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt;

Fig. 2 Gesamtansichten einer Seite eines Katalysatorbetts umfaßt, wobei (A) ein Igeltypkatalysatorbett zeigt, das aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und (B) ein Labyrinthtypkatalysatorbett zeigt, das in gleicher Weise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist; und

Fig. 3 ein Diagramm ist, welches die Konversionsrate von n-Pentan in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Bei der Vorbrennung bei der vorliegenden Erfindung wird die Aktivierungs energie des Kraftstoffs innerhalb des Luft/Kraftstoff-Gemisches durch einen Verbrennungskatalysator o. dgl. verringert und entsteht aus einer Ver brennung bei einer Temperatur, welche niedriger ist als die Selbstzündtem peratur, und unbeachtlich dessen, ob es ein verdünntes Luft/Kraftstoff-Ge misch unter den Verbrennungsgrenzen ist. Daher unterscheiden sich die Zwecke der Vorbrennung und der Hauptverbrennung und ihre Verbren nungsbedingungen oder Zustände unterscheiden sich ebenso. Aus diesem Grund wird es zum Ermöglichen einer Verbrennungssteuerung und zum Vermeiden einer Behinderung derselben bevorzugt, die Vorverbrennung und die Hauptverbrennung separat zu steuern.

Beispielsweise besteht dann, wenn eine Maschine verwendet wird, die ein Katalysatorbett in einer Verbrennungskammer vorsieht, und wenn die Temperatur des Katalysatorbetts aufgrund der Vorverbrennung zu hoch wird, die Möglichkeit, daß eine Feinsteuerung des Zündzeitpunkts durch die Zündkerzen während der Hauptverbrennung gestört wird. Ferner wird, wenn die Temperatur des Katalysatorbetts zu hoch wird, was dann auftritt, wenn übermäßig Kraftstoff durch eine normale Vorverbrennung verbrannt wird, die Gegenkraft zu groß, was das Verfahren unökonomisch macht. Wenn andererseits die Temperatur des Katalysatorbetts zu nieder ist, dann kann die Erzeugung von Endgas bei der Hauptverbrennung nicht verhindert werden. Daher ist es wiederum bevorzugt, die Vorverbrennung und die Hauptverbrennung separat voneinander zu steuern oder zu regeln.

Bei der erfindungsgemäßen Vorverbrennung wird Kraftstoff, welcher für einen Zyklus erforderlich ist und bei der Vorverbrennung verwendet wird, in den Zylinder durch Düsen eingespritzt, welche beispielsweise an den Düsen zum Einspritzen des Kraftstoffs während der Hauptverbrennung angebracht sind. In diesem Falle wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Luft/Kraftstoff-Gemisches im Zylinder stark verdünnt, bis zum 10-fachen oder einem mehrfachen des 10-fachen des theoretischen Luft/Kraftstoff-Ver hältnisses, und liegt unter den Verbrennungsgrenzen. Dieses Feuern und Verbrennen wird nicht ohne Verwendung eines Aktivierungsmittels, wie z. B. eines Katalysators o. dgl., auftreten.

Bei der vorliegenden Erfindung sind die Gründe, warum die Menge des für die Vorverbrennung erforderlichen Kraftstoffs 1-10% des in einem Zyklus verwendeten Kraftstoffs ist und die Temperatur des Katalysators im Bereich von 300 bis 500°C gehalten ist, wie folgt. Der wichtige Zweck der Vorverbrennung ist das Verhindern der Erzeugung von Endgas, welches das Klopfen verursacht, durch Verbrennung des Kraftstoffs für die Vorver brennung, und es ist daher bevorzugt, die Temperatur des Katalysatorbetts im Bereich von 300 bis 500°C zu halten. Der Grund dafür ist, daß die Temperatur des Katalysatorbetts in dem Bereich liegen sollte, in dem die Vorverbrennung bevorzugterweise stattfindet und andauert. Insbesondere liegt, obgleich sie sich in Abhängigkeit vom Katalysator, vom Kompressions verhältnis und der Vorverbrennungskraftstoffmenge ändert, dann, wenn ein Edelmetall als die Metallkomponente des Katalysators verwendet wird, die Temperatur im allgemeinen im Bereich von 300 bis 500°C. Mit anderen Worten, wenn die Katalysatorbettemperatur unter 300°C liegt, dann fährt die Vorverbrennung nicht fort, sondern führt dazu, daß ein Klopfen erzeugt wird, während andererseits bei Temperaturen, die 500°C übersteigen, der Zeitpunkt der Vorverbrennung nach vorne verschoben wird und ein Energieverlust im Kompressionshub zunimmt.

Ferner ist es zum Beibehalten der Temperatur des Katalysatorbetts im Bereich von 300 bis 500°C erforderlich, die für die Vorverbrennung erforderliche Kraftstoffmenge auf 1 bis 10% der in einem Zyklus ver wendeten Kraftstoffmenge einzustellen. Der Grund dafür ist, daß dann, wenn der Vorverbrennungskraftstoff zu nieder und bei weniger als 1% ist, die Katalysatorbettemperatur nicht im Bereich von 300 bis 500°C gehalten werden kann und häufig ein Klopfen auftreten wird, während andererseits dann, wenn der Vorverbrennungskraftstoff 10% übersteigt, der Kraftstoff für die Hauptverbrennung verringert wird und somit nur negative Effekte für die Leistungsabgabe im Expansionshub entstehen oder negative Effekte bei der Leistungsabgabe im Kompressionshub entstehen und eine Verringerung der thermischen Effizienz der Maschine nicht mehr unberücksichtigt bleiben kann. Es wird darauf hingewiesen, daß, obgleich der Luft/Kraftstoff-Ge mischstrom während der Vorverbrennung bei 200°C oder weniger aufgrund des verwendeten Katalysators verbrannt werden kann, bei dieser Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit sehr nieder ist und nur ein Teil des Kraftstoffs verbrannt wird, so daß ein stabiler Vorverbrennungszustand nicht erhalten werden kann.

Das Katalysatorbett ist bei der vorliegenden Erfindung als eine integrierte Form (monolithisch) aus einem Träger (nachfolgend als "Verbrennungs katalysator" bezeichnet), welcher einen großen spezifischen Oberflächenbe reich aufweist und die Katalysatormetallkomponente trägt, und einem Trägermaterial aufgebaut, welches die Katalysatormetallkomponente und den Verbrennungskatalysator trägt. Die Form des Katalysatorbetts ist, anstelle einer flachen Ausgestaltung, vorzugsweise eine Form, die eine lange Kontaktzeit zwischen dem Luft/Kraftstoff-Gemisch und der Katalysa toroberfläche beibehalten kann, beispielsweise ein Igeltyp (hedgehog-Typ) oder Labyrinthtyp. Als Katalysatormetallkomponente wird ein Metall, das als ein Verbrennungskatalysator dient, bevorzugt, und obgleich Edelmetalle, Ni, Co, Cr, Mo, V, etc. geeignet sind, werden Edelmetalle in Anbetracht der Betriebstemperaturen etc. bevorzugt. Ferner ist der Grund zum Verwenden wenigstens eines Typs aus rostfreiem Stahl und einer Keramikgruppe, wie z. B. Sialon (umfassend Si, Al, O, N), Zirkoniumoxid, etc. als das Material für das Trageelement, welches das Katalysatorbett bildet, die Verbesserung mechanischer und thermischer Stöße, die Verringerung der Lewis-Zahl und das Verhindern einer thermischen Verschlechterung des Katalysators aufgrund der Flammenemission während der Hauptverbrennung.

Ferner ist der Grund für die Verwendung eines Materials, welches im wesentlichen durch wenigstens einen Typ von hitzebeständigen Zusammen setzungen gebildet ist, wie z. B. aktiviertes Aluminiumoxid, BaAl₁₂O₁₉ CaO.6Al₂O₃ und M_xZrO_y, etc. als der poröse anorganische Träger nicht nur derjenige, daß diese Materialien poröse Substanzen sind und eine sehr gute Hitzefestigkeit aufweisen, sondern ebenso, daß dann, wenn ihre Charak teristiken angepaßt werden, sie ebenso als das Trägermaterial wirken können. Die Tatsache, ob eines dieser Materialien verwendet wird, wird in geeigneter Weise gemäß der erforderlichen Hitzefestigkeit bestimmt.

Große Sorgfalt bei der vorläufigen Verbrennung muß hinsichtlich eines Abfalls der Katalysatortemperatur aufgrund eines Luftstroms im Zylinder vorgesehen werden. Wenn beispielsweise die Windgeschwindigkeit in der axialen Richtung innerhalb des Zylinders aufgrund des Ansteigens des Kolbens 1 6 m/s bei NTP (Normaltemperatur und -druck) ist, wenn die Maschine 6000 U/min macht und das Kompressionsverhältnis 9 ist, dann werden der Druck und die Temperatur in der Verbrennungskammer unmittelbar vor dem Ende des Kompressionshubs jeweils auf näherungs weise 15 kg/cm² bzw. 250°C geschätzt, und daher kann der Luftstrom auf ungefähr 2 m/s geschätzt werden. Dabei nimmt, obgleich die Luftge schwindigkeit innerhalb des Zylinders stark fluktuiert, dann, wenn die Windgeschwindigkeit stark ansteigt, die Menge der abgeführten Wärme schnell zu und die Katalysatortemperatur fällt und der Katalysator zündet nicht. Als Ergebnis daraus kann ein gleichzeitiges Heizen durch Glühkerzen o. dgl. erforderlich sein.

Nachfolgend wird die Hauptverbrennung beschrieben. Die Hauptver brennung, welche die Maschinenleistung erzeugt, wird im wesentlichen durch Einspritzen von Kraftstoff in die Verbrennungskammer aus Ein spritzdüsen nahe den Zündkerzen unmittelbar vor dem Ende des Kom pressionshubs und durch Zünden desselben durch die Zündkerzen durch geführt. Da das Innere der Brennkammer bereits durch die Vorverbrennung erhitzt worden ist, kann die Wirkung der latenten Wärme durch die Verdunstung ignoriert werden. Aus diesem Grund wird der Kraftstoff in der Verbrennungskammer vorzugsweise durch Flammenausbreitung verbrannt, welche durch die Zündkerzen erzeugt wird.

Auf diese Art und Weise kann gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung der Verbrennungszustand in der Verbrennungskammer verbessert werden und die Verhinderung der Erzeugung eines Klopfens ist möglich. Ferner wird als Ergebnis des vorangehenden eine Erhöhung des Kom pressionsverhältnisses und eine Verwendung kostengünstiger Kraftstoffe mit niedrigen Zündtemperaturen möglich. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Zunahme des Kompressionsverhältnisses zu einer Abnahme der Windgeschwindigkeit während der Vorverbrennung führt und daher bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ist. Ferner sind selbstverständlich die jeweiligen Bedingungen und Zustände der Vorverbrennung und der Hauptverbrennung derart durch Erfassen und Steuern/Regeln der Ver brennungszustände etc. derselben eingestellt, daß die optimalen Ver brennungszustände bezüglich des gesamten Verbrennungszyklus erhalten werden kann.

Ausführungsform 1

Fig. 1 ist eine Gesamtansicht, welche ein Beispiel einer Maschine zum Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei 1 ein Zylinder ist, 2 ein Kolben ist, 3 ein Katalysatorbett ist, 4 ein Einlaßabschnitt ist, 5 ein Zündkerze ist, 6 sowohl eine Vorverbrennungs-Kraftstoffein spritzdüse als auch eine Hauptverbrennungs-Kraftstoffeinspritzdüse ist, 7 eine Verbrennungskammer ist, 8 eine Glühkerze ist und 9 eine Ölzurückhal tewand für Schmieröl ist. Die hier dargestellte Maschine ist für die Vorverbrennung an der oberen Oberfläche des Kolbens 2 mit einem Katalysatorbett 3 sowie mit einer Einspritzdüse 6 versehen, welche Kraftstoff für die Vorverbrennung einspritzt und ferner als eine Hauptver brennungs-Einspritzdüse dient und eine einstellbare Sprührate aufweist. Sie weist eine Struktur auf, welche den Kraftstoff für die Hauptverbrennung in die Verbrennungskammer 7 aus der Einspritzdüse 6 in der Umgebung der Zündkerze 5 einspritzt. Die Glühkerze 8 dient zum gleichzeitigen Erhitzen in Fällen, in welchen die Temperatur des Katalysatorbetts abgenommen hat.

Das Katalysatorbett ist in einer integrierten Form (monolithisch) aus einem Verbrennungskatalysator und einem Trägerelement aufgebaut, welches den Verbrennungskatalysator trägt. Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Katalysatorbetts, wobei (A) ein Igeltyp-Katalysatorbett zeigt, daß aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, und wobei (B) ein Labyrinthtyp-Katalysator bett zeigt, das in gleicher Weise aus rostfreiem Stahl aufgebaut ist. Als die Katalysatormetallkomponente können Palladium, Platin u. dgl. verwendet werden. Ferner kann als Träger eine Substanz verwendet werden, bei welcher beispielsweise ungefähr 10 Gew.-% Cerium als Oxid zu γ-Aluminiumoxid hinzugefügt wird, dessen spezifische Oberfläche bei 100 m²/g liegt. Ferner sind in Anbetracht der thermischen Störung aufgrund mechanischer und thermischer Stöße, der Lewis-Zahl und der Strahlung von Flammen während der Hauptverbrennung beispielsweise die folgenden Kombinationen effektiver. D.h., es wird eine Keramik, wie z. B. Sialon oder Zirkoniumoxid o. dgl. in dem Trägermaterial verwendet und es wird eine hitzebeständige Zusammensetzung, wie z. B. BaAl₁₂O₁₉, CaO.6Al₂O₃ und M_x.ZrO_y etc. als der Träger verwendet, wobei der spezifische Ober flächenbereich derselben nach dem Erhitzen auf 1100°C oder mehr bei 50 m²/g liegt. Wenn diese hitzebeständigen Zusammensetzungen verwendet werden, dann ist, da sie ebenso als Trägerelementmaterialien verwendet werden können, eine Vereinfachung der Struktur des Katalysatorbetts möglich.

Als ein Verfahren zum Aufbringen des Verbrennungskatalysators auf das Trägermaterial ist es, obgleich ein gemischter Schlamm der Katalysatorme tallkomponente und des Trägers auf das Trägermaterial durch ein Wasch beschichtungsverfahren aufgebracht werden kann, möglich, dieses durch andere im allgemeinen bekannte Verfahren aufzutragen. Ein Verfahren zum Installieren des Katalysatorbetts 3 auf dem Kopf des Kolbens 2 kann ein Verfahren zum Verbinder einer Kupferlegierungsschicht mit einem Träger element aus rostfreiem Stahl und zum Einbetten dieser Kupferlegierungs schicht in die obere Oberfläche des Kolbens 2 verwendet werden. Ferner kann selbst dann, wenn das Trägermaterial eine Keramik und/oder eine hitzebeständige Zusammensetzung ist, das Katalysatorbett 3 im Kopf des Kolbens 2 durch das gleiche Verfahren installiert werden.

Es wird darauf hingewiesen, daß, obgleich der Ort der Verbrennungskammer 7, an welchem das Katalysatorbett angeordnet ist, nur als die obere Oberfläche des Kolbens 2 gewählt ist, es effektiver ist, dieses über den gesamten Oberflächenbereich der Verbrennungskammer 7 hinweg zu installieren. Daher ist die Fläche oder der Bereich des Zylinderkopfab schnitts, in welchem dieses installiert werden kann, zum Vergrößern und Vervielfachen der Anzahl der Einlaß- und Auslaßventile sehr beschränkt und zusätzlich ist aufgrund der Anordnung nahe an der Position der Zündkerze, wo das Ankommen der Flamme schnell von statten geht, und aufgrund dessen, daß es eine flache Plattenform aufweist, da dies ein Querschnitt ist, welcher die geringste Wahrscheinlichkeit des Erzeugens eines Klopfens aufweist, die Bedeutung der Installation des Katalysatorbetts 3 nicht so groß.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist ebenso bei einer Maschine anwendbar, bei welcher eine Vorrichtung zum Ausgeben eines Laserstrahls in der Verbrennungskammer 7 vorgesehen ist. Dies hat den Grund, daß es möglich ist, die Aktivierungsenergie des Kraftstoffs durch einen Laserstrahl zu senken.

Ausführungsform 2

Ein γ-Aluminiumoxid, dessen spezifischer Oberflächenbereich 120 m²/g ist, wird geknetet, eine Chlorplatinsäure-Ammonium-Lösung wird in den Träger imprägniert, welcher in einer zylindrischen Form ausgebildet ist, und wird nach dem Trocknen in Luft bei 500°C 3 Stunden lang ausgebrannt, um einen Pt/Al₂O₃-Katalysator zu erhalten, welcher 0,5 Gew.-% Platin enthält. Nachfolgend wird dieser Katalysator gemahlen und 0,5 cm³ (0,25 g) des erhaltenen Katalysatorpulvers, dessen Partikeldurchmesser 250 bis 500 µm ist, wird als eine Probe verwendet, und die erhaltenen Katalysatoreigen schaften sind unter den Reaktionsbedingungen, welche in Tabelle 1 gezeigt ist, unter Verwendung eines herkömmlichen Festdruck-Einmaldurch gang-Typ-Reaktorstroms gemessen worden. Es wird darauf hingewiesen, daß in der vorliegenden Ausführungsform ein SUS316-Reaktorrohr, dessen Innendurchmesser 16 mm war, verwendet worden ist. Ferner ist vor der Messung nur industrieller Sauerstoff zugeführt worden, und Kohlenstoff (ein Reaktionsnebenprodukt), welcher an dem Katalysatorbett angehaftet hat, ist entfernt worden. Eine Verbrennung ist unter Verwendung eines Gaschromatographen (GC-14, hergestellt durch Shimadzu Corp.) mit einem TCD-Detektor (Telemetry Command Data Detector) durchgeführt worden. Die Konversionsraten von n-Pentan aus dem so erhaltenen CO₂ sind in Fig. 3 gezeigt.

Aus den Ergebnissen der Fig. 3 kann man erkennen, daß im Falle von SV (Space Velocity; Raumgeschwindigkeit) = 500.000 h^-1, die Verbrennungs reaktionsgeschwindigkeit über ungefähr 250°C an der Katalysatorober fläche der Massentransferratensteuerbereich ist.

Tabelle 1

Nachfolgend ist unter Verwendung des vorangehenden Katalysatorpulvers das Katalysatorpulver auf ein Igeltyp-rostfreier Stahl-Trägermaterial unter Verwendung eines Waschbeschichtungsverfahrens verstärkt worden, und ein Verbrennungstest ist unter den in Tabelle 2 gezeigten Maschinentestbe dingungen durchgeführt worden, wobei eine Maschine mit der in Fig. 1 gezeigten Struktur verwendet worden ist; die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Es wird darauf hingewiesen, daß, obgleich ein Klopfen dann schneller auftritt, wenn die Kraftstoffmenge in dem Luft/Kraftstoff-Gemisch geringer als ein theoretisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist, d. h. mager ist, da bei dem Verbrennungsverfahren der vorliegenden Erfindung praktisch keine Möglichkeit der Verursachung eines Klopfens selbst bei diesen Bedingungen besteht, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der vorliegenden Ausführungsform eingestellt worden ist und der Test durchgeführt worden ist. Ferner sind Bedingungen, anders als die in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen, zum Betreiben der Maschine eingestellt worden, um den Betriebszustand unter den in Tabelle 3 gezeigten Bedingungen besser zu machen. In Tabelle 3 bezeichnet ein 0-Zeichen einen stabilen Betriebs zustand ohne Klopfen, Δ bezeichnet einen Betriebszustand, in welchem die Klopffrequenz nieder ist und es praktisch keine Probleme gibt, und X bezeichnet einen Zustand, in welchem ein Klopfen häufig auftritt und ein stabiler Betrieb nicht erwartet werden kann.

Aus den Ergebnissen der Tabelle 3 kann man erkennen, daß gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ein guter Verbrennungszustand selbst dann erhalten werden kann, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis hoch ist und beispielsweise bei 22 liegt und die Maschine in einem Magerver brennungszustand ist. Es wird darauf hingewiesen, daß ein Zustand, in dem das Luft/Kraftstoff-Verhältnis 22 ist und das Verhältnis des Vorverbren nungskraftstoffs 15% ist, als ein Zustand angenommen wird, in welchem ein Klopfen aufgrund einer Frühzündung auftritt.

Ferner ist nach dem Beenden des Tests die Maschine analysiert worden und die Nicht-Gleit-Wandoberflächen sind untersucht worden, wobei die Ergebnisse sind, daß das Katalysatorbett vollständig in seiner ursprünglichen Form erhalten war und die Oberflächen nicht kontaminiert waren, wogegen die Wandoberflächen, an welchem kein Katalysatorbett vorhanden war, mit Kohlenstoff bedeckt waren und schwarz geworden sind. Aus diesen Ergebnissen erkennt man, daß das Katalysatorbett seine Funktion in ausreichender Form erfüllt.

Tabelle 2

Tabelle 3

Ausführungsform 3

Neben der Verwendung eines Dreiwege-Katalysators, welcher bei der bekannten Automobilabgasverarbeitung als der Katalysator in der vor liegenden Ausführungsform verwendet worden ist, ist ein Maschinentest entsprechend dem in Fig. 2 gezeigten durchgeführt worden. Die Ergebnisse desselben waren näherungsweise die gleichen, das Klopfen hat hinsichtlich der Ausführungsform 2 etwas zugenommen, wenn das Luft/Kraftstoff-Ver hältnis 22 und das Verhältnis bzw. der Anteil des Vorverbrennungskraft stoffs 1% war, hat jedoch bezüglich der Ausführungsform 2 etwas abgenommen, wenn das Verhältnis bzw. der Anteil des Vorverbrennungs kraftstoffs 15 war.

Ausführungsform 3

Eine Dieselmaschine ist auf eine Struktur verbessert worden, welche derjenigen der Fig. 1 entspricht, herkömmliches Benzin ist als Kraftstoff verwendet worden und die Maschine ist mit einem Kompressionsverhältnis von 22 und dem Verhältnis oder Anteil an Vorverbrennungskraftstoff von 0 und 10% betrieben worden. Die Ergebnisse waren, daß in dem Fall, in dem das Verhältnis des Vorverbrennungskraftstoffs 0% war, ein Klopfen in abnormaler Weise aufgrund der Frühzündung aufgetreten ist und ein betreibbarer Zustand nicht erreicht werden konnte, wogegen dann, wenn das Verhältnis des Vorverbrennungskraftstoffs 10% war, obgleich ein leichtes Klopfen aufgetreten ist, kein Betriebshindernis vorgelegen ist.

Wie vorangehend erklärt, wird bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung durch Trennen der Vorverbrennung und der Hauptverbrennung von Kraftstoff eine Vorverbrennung durch einen Katalysator o. dgl. möglich und eine stabile Verbrennung kann bei hohen Luft/Kraftstoff-Verhältnissen erhalten werden, wodurch beträchtliche Ergebnisse hinsichtlich des Verhinderns des Auftretens von Klopfen erzielt werden können und die Wirtschaftlichkeit verbessert werden kann und wodurch zusätzlich höhere Kompressionsverhältnisse möglich werden.

Ein Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine verhindert das Auftreten eines Maschinenklopfens und verbessert den Kraftstoffverbrauch und die Wirtschaftlichkeit durch das Sprüheinspritzen eines Teils von in einem Zyklus verwendeten Kraftstoff in eine Verbrennungskammer (7), das Durchführen einer Vorverbrennung eines verdünnten Luft/Kraftstoff-Ge misches unter Verbrennungsgrenzen bei einer Temperatur, welche niedriger ist als die Selbstzündtemperatur des Kraftstoffs, durch Einspritzen des verbleibenden Kraftstoffs in die Verbrennungskammer (7) und Durchführen einer Hauptverbrennung durch Flammenausbreitung unter Verwendung von Zündkerzen (5) als Zündquellen. Daher kann mit dem Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung eine stabile Verbrennung selbst bei hohen Luft/Kraftstoff-Ver hältnissen erhalten werden, und es werden hohe Kompressionsverhält nisse möglich.

Claims

1. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine, welches als ein Verfahren zum Verbrennen eines Luft/Kraftstoff-Gemisches in einer Brennkammer (7) ein Mehrfachzündungsverfahren verwendet, bei welchem ein Teil von in einem Zyklus verwendeten Kraftstoff in die Verbrennungskammer (7) eingespritzt wird, ein verdünntes Luft/Kraft stoff-Gemisch unter Verbrennungsgrenzen bei einer Temperatur unter einer Selbstzündtemperatur des Kraftstoffs verbrannt wird (Vorver brennung), der verbleibende Kraftstoff unmittelbar danach in die Verbrennungskammer (7) eingespritzt wird und durch Flammenaus breitung unter Verwendung von Zündkerzen (5) als Zündquellen verbrannt wird (Hauptverbrennung).

2. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverbrennung unter Verwendung eines Katalysatorbetts (3) durchgeführt wird, das aus einem aktiven Metall, einem porösen anorganischen Träger und einem Trägermaterial gebildet ist.

3. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial von einem Igel-Typ oder einem Labyrinth-Typ ist.

4. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß rostfreier. Strahl oder eine Keramik als ein Material für das Trägermaterial verwendet wird.

5. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse anorganische Träger im wesentlichen aktiviertes Aluminiumoxid und/oder eine hitzebestän dige Zusammensetzung umfaßt.

6. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Edelmetall als das aktive Metall verwendet wird.

7. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik von einem Typ ist, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Sialon und Zirkoniumoxid umfaßt.

8. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständige Zusammensetzung wenigstens einen Typ umfaßt, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus BaAl₁₂O₁₉, CaO.6Al₂O₃ und M_x.ZrO_y besteht.

9. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine, bei welchem 1 bis 10% des in einem Zyklus verwendeten Kraftstoffs als ein verdünntes Luft/Kraftstoff-Gemisch genommen wird, welches ein 10-faches oder ein mehrfaches des 10-fachen eines theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ist, und unmittelbar vor dem Ende eines Kompressionshubs, was direkt vor dem Erreichen eines oberen Totpunkts durch den Kolben (2) ist, ein verbleibender Anteil des Kraftstoffs unmittelbar vor dem Einspritzen in eine Verbrennungs kammer durch ein Katalysatorbett (3) verbrannt wird, welches bei einer Temperatur von 300 bis 500°C gehalten wird (Vorverbren nung), dann unmittelbar danach der verbleibende Anteil des Kraft stoffs in die Brennkammer zum Zünden und Verbrennen desselben in die Verbrennungskammer eingespritzt wird (Hauptverbrennung).

10. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorverbrennung unter Verwendung eines Katalysatorbetts (3) durchgeführt wird, welches ein aktives Metall, einen porösen anorganischen Träger und ein Trägermaterial umfaßt.

11. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial von einem Igel-Typ oder einem Labyrinth-Typ ist.

12. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß rostfreier Stahl und/oder Keramik als ein Material des Trägerma terials verwendet wird.

13. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse anorganische Träger im wesentlichen aktiviertes Aluminiumoxid und/oder eine hitzebeständige Zusammensetzung umfaßt.

14. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Edelmetall als das aktive Metall verwendet wird.

15. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik wenigstens ein Typ ist, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Sialon und Zirkoniumoxid umfaßt.

16. Verbrennungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die hitzebeständige Zusammensetzung wenigstens ein Typ ist, welcher aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus BaAl₁₂O₁₉, CaO.6Al₂O₃ und M_x.ZrO_y besteht.