DE2434862A1

DE2434862A1 - Verfahren zur herstellung eines kraftstoff-luftgemisches fuer verbrennungsmotoren mit schichtladung

Info

Publication number: DE2434862A1
Application number: DE2434862A
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl Ing Dr August
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-07-19
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1976-02-05
Also published as: DE2434862C3; DE2434862B2

Description

ihre Nachricht vom 899 Lindau (Bodensee)

Rennerle 10 - Postfach 3160

19. Juli 1974 Dr. h.c. Paul AUGUST, Capellades 1, Bracelona /Spanien

Ihr Zeichen

Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoff-Luftgemisches für Verbrennungsmotoren mit Schichtladung

Betreff;

Telefonische Vereinbarungen bedürfen der schriftlichen Bestätigung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, um die Zusammensetzung des Kraftstoffluftgemisches für Motoren mit Schichtladung so vorzunehmen, daß in den jeweiligen unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine das Gemisch so zusammengesetzt ist, daß niedrigste Emissionen im Abgas an CO, CH und Nox erreicht werden.

Eine besondere Ausführung einer einfachen Brennkraftmaschine mit Schichtladung beäteht darin, daß die Brennkammer etwas unterteilt ist, wobei der Einlaßteil seitlich angeordnet ist und

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der Auslaßteil sich oberhalb des ArbeitsZylinders befindet.

Ein solcher Schichtlademotor ist in seinem Aufbau sehr
einfach, da er im Gegensatz zu anderen Vorschlägen kein drittes Ventil für eine Neben-Brennkammer benötigt.

Er hat weiter den Vorteil, daß zwischen den beiden Brennkammer-Teilen kaum eine Einschnürung besteht, wodurch Leistungsverlust und Verbrauchserhöhung vermieden werden.

Bei einem solchen einfachen Motor mit Schichtladung ist die Trennung zwischen den beiden Kammern so gering, daß es notwendig ist, ein besonders gut aufbereitetes Kraftstoff-Luftgemisch zu erzeugen,um wenig CO und insbesondere wenig CH
im Abgas zu haben. Auch wegen geringer Bildung von Nox ist ein sehr gut aufbereitetes Gemisch erforderlich, da dadurch die Verbrennung gleichmäßiger mit geringeren Temperaturspitzen
verläuft.

Die Lösung der Aufgabe nach der Erfindung besteht darin, daß der Kraftstoff in eine Teilluftmenge gegenüber dem Vollastbedarf an Brennluft eingebracht wird, wobei Kraftstoff-Einbringung erst im zweiten Teil der Öffnung des Einlaßventils erfolgt.

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Die Leistung des Motors wird mit der Mengen-Dosierung des Kraftstoffes vorgenommen. Dabei kann ganz auf die Drosselsteuerung der Brennluft verzichtet werden; besser ist jedoch, wenn die Brennluft zumindest im unteren Teillastbereich ebenfalls gesteuert wird.

Da der Kraftstoff bei einem Motor mit Schichtladung nach der hier angeführten Konstruktion vor jedem Einlaßventil eingebracht werden muß, besteht der Nachteil, daß im unteren Teillastbereich die Geschwindigkeit der Brennluft kurz vor dem Eingang in den Zylinder nicht sehr hoch ist. Es kann deshalb keine gute Vermischung zwischen der Brennluft und dem Kraftstoff stattfinden.

Es wird deshalb nach der Erfindung auch vor jedem Zylinder eine Vorrichtung angeordnet, durch welche - bezogen auf den Brennluftbedarf bei Vollast - eine Teilluftmenge hindurch strömt. Diese Teilluftmenge wird auf etwa Io - 2o % gegenüber des Vollastbedarfes eingeschränkt. Damit erreicht man im unteren Teillastbereich des Motors eine sehr hohe Geschwindigkeit der Luft, die in bestimmten Bereichen Schallgeschwindigkeit erreicht.

In diese Teilluftmenge wird der Kraftstoff angespritzt und infolge der hohen Geschwindigkeit zu feinstem Nebel aufbereitet und außerdem Kondensatbildung an den Wänden verhindert.

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Der Bereich um Io - 2o % in der Leistung eines Motors entspricht dem Stadtverkehrsbereich mit Geschwindigkeiten um 4o 80 km/h.

Gerade bei diesen Geschwindigkeiten ist es besonders wichtig, eine nahezu vollständige Verbrennung zu erzielen, um die Abgasbestimmungen zu erfüllen.

Nur durch die Einbringung des Kraftstoffes in die Brennluft, die mit sehr hoher bis Schallgeschwindigkeit die Mischvorrichtung durchströmt, wird es möglich, auch im unteren Teillastbereich ein solches homogenes, feinst aufbereitetes Nebelgemisch zu erzeugen und damit eine Verbesserung zu erreichen, die nur noch Spuren an CO und CH aufweist.

Eine weitere Verbesserung für eine nahezu rückstandsfreie Verbrennung besteht darin, diese Teilluftmenge aufzuheizen. Im unteren Leistungsbereich des Motorsjläuft dieser normalerweise zu kalt, wodurch insbesondere höhere CH-Anteile im Abgas anfallen. Dies wird durch die Aufheizung der Teilluftmenge vermieden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei gehen aus der Zeichnung und der Beschreibung weitere Erfindungsmerkmale hervor.

Figur 1 den Schnitt eines Motors nach der Erfindung

mit der dazugehörigen Gemischbildungs-Einrichtung

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Figur 2 einen Teil des Zylinderkopfes.

Bei der nach der Erfindung verwendeten einfachen Konstruktion einer unterteilten Brennkammer mit nur zwei Ventilen befindet sich über dem Arbeitszylinder 1 der Zylinderkopf 2 mit dem Einlaßventil 3 und dem Auslaßventil 4.

Der Brennraum ist in zwei Teile unterteilt, wovon einer 5 sich am Auslaßventil 4 oberhalb des ArbeitsZylinders 1, befindet.

Der zweite Teil 6 des Brennraum.es ist seitlich verschoben und befindet sich unterhalb des Einlaßventils 3. An diesem Brennraum ist auch die Zündkerze mit ihrem Sitz 7 angebracht.

Das normale Ansaug-Sammenrohr 8 für die anzusaugende Brennluft erhält eine "Luftsteuerung (Drosselkappe o.a.), die hier nicht gezeichnet ist. Dieses Ansaugsammelrohr 8 versorgt üblicherweise mehrere Zylinder, sofern es sich um einen Mehrzylindermotor handelt.

Nabe des Eingangs der Einlaßventilkammer 13 ist die Gemischbildungs-Einrichtung angebracht. Diese besteht aus dem Lufteingang 9, einem Lufttrichter (Venturi) Io und einem Wärmeaustauscher 11, dessen Ausgang 14 in das Ende des Ansaugsammelrohres 8 nahe der Einlaßventilkaminer 13 hineinragt. Dieses Auslaßende 14 kann auch direkt in die Einlaßkammer 13 ragen.

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Wegen der Bestimmungen der Abgasentgiftung ist es besonders im Teillastbereich notwendig, daß sehr wenig Giftgasanteile

entstehen.

Würde der Motor nur mit Kraftstoffmengen-Steuerung und ohne Dosierung der Brennluft betrieben werden, so zeigt es sich, daß im Teillastbereich bei einer Luftzahl von 1,6 bis 2,ο die CH-Anteile auf über 4oo ppm ansteigen, während sie im oberen Lastbereich bei 1,2 bis 1,4 sich bei etwa 5o - 8o ppm bewegen.

Es ist deshalb notwendig, daß insbesondere im unteren Teillastbaeich der Kraftstoff ganz hervorragend aufbereitet werden muß, und außerdem muß die Lufttemperatur höher als normal sein, damit nicht wieder ein Teil des Kraftstoffes auf dem Weg in den Arbeitszylinder bzw. in der Brennkammer kondensiert.

Das wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß in der besonderen Gemischaufbereitungs-Einrichtung die Luftmenge durchtritt, die nach dem System dieses Motors mit ScEiichtladung nur für etwa Io - 2o % der Vollastle'istung benötigt wird.

Somit wird es möglich, mit einer Luftzahl von 1,2 bis 1,5 die unteren Teillasten zu fahren.

Da der Kraftstoff in der Gemischeinrichtung da eingespritzt wird, wo die Luft die höchste Geschwindigkeit erreicht nämlich am Venturi bzw. Lufttrichter Io - entsteht eine kondensatfreie Vermischung, die außerdem noch frei von größeren

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Tropfen ist.

Infolge Wegfall' einer Dosierung nach den· Venturi Io entsteht an dieser Stelle im unteren Teillastbereich des Motors sehr hohe bis Schallgeschwindigkeit.

Die gute Kondensat- und tropfenfreie Aufbereitung des Kraftstoffes wird zusätzlich noch dadurch unterstützt,daß die Brennluft auf ca. loo° und evtl. nehr aufgeheizt wird. Beim Kaltstart des Motors ist eine Beheizung der Brennluft mittels Auspuffgasen nicht möglich. Da jedoch grade der Kaltstart und Warmlauf des Motors die meisten CO- und CH-Anteile im Abgas bringt, ist es erforderlich, mittels eines elektrisch beheizten Wärmeaustauschers 11 das gebildete Kraf tstof f luf tgemisch beim Start und während des Warmlaufs des Motors aufzuheizen.

Nur so entsteht gleich nach dem Kaltstart des Motors in der Gemischbildung eine solch¹ gute Aufbereitung des Kraftstoffes, wie sie sonst nur beim bereits warmgelaufenen Motor vorhanden ist.

Dies ist für die Erfüllung der verschärften Abgasbestimmungen und zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs - insbesondere im Kurzstreckenverkehr - notwendig.

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Im unteren Teillastbereich ist die Bildung von Nox bei einem Motor mit Schichtladung sowieso sehr gering.

Die Prüfungsergebnisse zeigten nur einen Anteil von 5o - 7o ppm im Abgas, ganz gleich, ob die Brennluft kalter oder aufgeheizt war.

Zwecks Senkung der CH ist deshalb die Aufheizung der Brennluft im unteren Teillastbereich notwendig, wobei auch die CO-Werte, die jedoch an sich schon niedrig sind, noch weiter herabgesetzt werden. Man erreicht damit den gewünschten niedrigen CH-Anteil bei niedrigen CO- und Nox-Emissionen im Abgas. Die Aufheizung der Luft für diese Gemischbildungs-Einrichtung erwirkt zusätzlich die Aufbereitung des Kraftstoffes zu einem kondensatzfreien feinsten Nebel. Beides zusammen führt zur Senkung der CH-Anteile im unteren Teillastbereich.

Im oberen Lastbereich wird sowieso mit 1,2 bis 1,4 gefahren, wodurch sich niedrige CO- und CH-Werte ergeben.

Hier ist es jedoch notwendig, mit kälterer Brennluft zu fahren, um die Nox niedrig zu halten.

Nach überschreiten des unteren Teillastbereiches wird die Drosselklappe des Ansaugrohres 8 mehr und mehr geöffnet, so daß mehr und mehr Kaltluft hinzukommt.

So ergibt sich automatisch die jeweils immer richtige Gesamtluft-Temperatur der angesaugten Brennluft - je nach Leistungsbereich des Motors.

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Auch für die Giftgasbildung im Gesamtleistungsbereich des Motors ist es von besonderer Notwendigkeit, daß der Kraftstoff zu feinstem kondensatfreiem Nebel aufbereitet ist. Dies verhindert in hohem Maße Niederschlag an den Wänden der Brennkammer, der zu höheren CH-Werten im Abgas führt.

Bei einem solch¹ aufbereiteten Kraftstoffnebel ist die exakte Trennung zwischen den beiden Brennkammern nicht so notwendig, da auch Kraftstoff-Teilchen in der Brennkammer 5 noch gut nachverbrennen, nachdem die Verbrennung in der Brennkammer 6 eingeleitet worden ist.

Dieser feinstaufbereitete Kraftstoff sorgt im hohen Maße für eine gleichmäßige Verbrennung ohne Spitzen mit höherer Temperatur. Auch dadurch wirdfLm mittleren und oberen Teillastbereich die Nox-Bildung niedriger gehalten als üblich.

Es hat sich gezeigt, daß in bestimmten Leistungsbereichen sich Vorteile ergeben, wenn der Hauptbrennluft etwas Kraftstoff zugeführt wird, so daß sich ein mageres Gemisch ergibt. Dieses Magergemisch wird vom fetteren bzw. zündfähigen Gemisch, welches in der Vorrichtung der Teilbrennluft gebildet wird, gezündet.

Es konnte weiter festgestellt werden, daß die Bildung des Leerlaufgemisches weniger problematisch mit gleichguten Werten erreicht wird, in dem die gesamte Kraftstoffmengehierfür der HauptbrennIuft zugeführt wird. In diesem Fall muß bei Leerlauf die Teilluftmenge abgesperrt

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werden.

Durch die nach der Erfindung geschilderten Einrichtungen und Maßnahmen wird in jedem Bereich eines so einfachen Motors mit Schichtladung die Bildung von Giftgasanteilen auf ein Minimum gehalten.

Dadurch wird es möglich, die zukünftigen verschärften Abgasbestimmungen ohne Nachverbrennung einzuhalten bei gleichzeitig sehr wirtschaftlichem Verbrauch.

Letzteres, weil eine enge Einschnürung zwischen der Vor- und Hauptbrennkammer nicht erforderlich ist. Dadurch bleibt außerdem die üblidae Liter-Leistung eines Otto-Motors erhalten im Gegensatz zu Motoren mit Schichtladung, die diese enge Einschnürung benötigen. Dort entsteht ein Leistungsverlust von ca. 3o %, verbunden mit einer Verbrauchserhöhung von mehr als 2o%.

Alle diese Nachteile entfallen bei der Einrichtung nach dieser Erfindung.

Patentansprüche - 11 -

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Claims

Patentansprüche

Γΐ.) Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoff-Luftgemisches für Verbrennungsmotoren mit Schichtladung zur Erzielung geringster Emissionen im Abgas an CO CH NOX in allen Betriebszuständen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in eine Teil -Brennluftmenge gegenüber dem Vollastbedarf an Brennluft eingebracht wird, wobei die Kraftstoffeinbringung erst im zweiten Teil der Öffnung des Einlassventils erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilluftmenge keine Luftmengensteuerung besitzt.
3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbrennluftmenge aufgeheizt ist.
4. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilmenge des Kraftstoffes zusätzlich der Brennluft zugeführt wird.
5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem

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Zylindereinsatz eine Gemischbildungs-Einrichtung angeordnet ist, deren kleinster Luftdurchgangsquerschnitt (lo) einen geringeren Querschnitt aufweist, als der Querschnitt des Hauptansaugrohres (8) .
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der geringeste Querschnitt (lo) für Teilbrennluft so bemessen ist, daß er etwa so viel Luft durchläßt, wie ein Motor mit Schichtladung für Io bis 3o % seiner möglichen Vollastleistung benötigt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 5,dadurch gekennzeichnet, daß eine auspuffbehäzte Vorrichtung zum Aufheizen der Brennluft zu dieser Gemischbildungseinrichtung angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinbringung vor oder im Bereich des engsten Teils der Gemischbildungseinrichtung stattfindet.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1,5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem engsten Teil (lo) der Gemischbildungseinrichtung und deren Auslassende (14) ein elektrisch beheizbarer Wärmeaustauscher (11) angeordnet ist.

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10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Gemischbildungseinrichtung keine Luftsteuerung (Drosselklappe) angeordnet ist, während bei dem Hauptansaugkanal (8) eine Luftsteuerung eingesetzt ist.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptbrennluft eine Teilbrennluftmenge zur Bildung eines Magergemisches zugesetzt wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei Leerlaufbetrieb die gesamte Kraftstoff menge der Hauptbrennluft zugeführt wird.

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