DE2710761A1

DE2710761A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2710761A1
Application number: DE19772710761
Authority: DE
Inventors: Yoshimasa Hayashi; Yasuo Nakajima; Tooru Yoshimura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1976-03-11
Filing date: 1977-03-11
Publication date: 1977-09-22
Also published as: JPS52109007A; CA1075105A; AU2303177A; US4133330A; DE2710761C2

Description

Nissan Motor Company, Limited

No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku, Yokohama City, Japan

Verbrennungsmotor

Die Erfindunq betrifft einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführung, wobei jede Verbrennungskammer des Motors mit einer Vielzahl von Zündkerzen versehen ist.

Bei dem Versuch, den Anteil der Abgase aus Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraf :fahrzeugmotoren,an der Luftverschmutzung so gering wie möglich zu halten, erweist es sich schwierig, die Konzentration an Stickoxiden (NOx) im Abgas auf ein zufriedenstellendes Mass herabzusetzen. Die herkömmlichen Vorgehensweisen zur Minimierung der Emission an NOx lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen: eine Gruppe bezieht sich auf die katalytische Reduktion des NOx im Motorabgassystem, während

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(o··) aaaaea telex oa-aasso TELEaRAMMB monapat telekopwrck

die andere Gruppe verschiedene Verfahren umfasst, um die Bildung von NOx in den Motorverbrennungskamraern dadurch zu unterdrücken, dass die maximale Verbrennungstemperatur herabgesetzt wird. Insbesondere beruhen letztgenannte Verfahren auf einer Verzögerung des Zündzeitpunktes, einem Betrieb des Motors mit einem mageren Luftbrennstoffgemisch oder einer Rückführung eines Teiles des Abgases in die Verbrennungskammern.

Die Verwendung von Reduktionskatalysatoren führt zu einer beträchtlichen Erhöhung der Motorherstellungskosten und erfordert den Austausch der Katalysatoren in gewissen Zeitintervallen. Die zweite Gruppe von Vorgehensweisen wird als wirtschaftlicher gegenüber der katalytischen Reduktion und als grundsätzlich vorteilhaft betrachtet. Die Herabsetzung der maximalen Verbrennungstemperatur jedoch kann zu einer unvollständigen oder instabilen Verbrennung führen. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Unterdrückung der Bildung von NOx nach der zweiten Gruppe von Vorgehensweisen gewöhnlich mit Nachteilen hinsichtlich der Treibstoffaushutzung (spezifischem Treibstoffverbrauch) und/oder der Abtriebsleitung des Motors verbunden ist. Dennoch muss die Emission von NOx verhindert werden. Des weiteres ist es wichtig, die Hochleistungsbetriebsweise einschliesslich der Treibstoffausbeutung von bislang entwickelten Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren beizubehalten oder sogar zu verbessern. Es sollte ein geeignetes Gleichgewicht zwischen der Unterdrückung der Bildung von NOx und der Motorleistung erhalten werden.

Unter den vorgenannten Arten der Unterdrückung einer NOx-Bildung hat die Rückführung eines Teiles des Abgases zu den Verbrennungskammern den Vorteil, dass die Treibstoffausbeutung und die- Abtriebsleitung solange nicht wesentlich beeinträchtigt werden, wie die Menge an rückgeführtem Abgas angemessen ist. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Verbrennung im Motor unstabil wird und ein wesentlicher Abfall in der Motorleistung

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eintritt, wenn die Abgasrückführrate (definiert als das volumetrische Verhältnis von rückgeführtem Abgas zu der in die Verbrennungskammern eingesaugten Luft) eine gewisse Höhe überschreitet. Es ist praktisch unmöglich, die Abgasrückführungsmenge bei konventionellen Motoren über etwa 10 % anzuheben. Andererseits lässt sich die Bildung von NOx bei einer Abgasrückführmenge von 10 % nicht maximal unterdrücken. Die Bildung von NOx kann vielmehr in weit grösserem Umfang unterdrückt werden, wenn die Rückführrate' weit oberhalb 10 % angehoben wird.

Kürzlich wurde von Forschern der Nissan Motor Co., Ltd. der Tatsache Augenmerk geschenkt, dass die Bildung von NOx in einem voll zufriedenstellenden Umfang unterdrückt werden kann, ohne dass in nennenswerter Weise die Treibstoffausbeute oder das Motorabtriebsverhalten beeinträchtigt werden und weiter ein stabiler Motorbetrieb beibehalten ist, wenn die Abgasrückführung bei beträchtlich hohen Rückführraten nur dann erfolgt, wenn die Verbrennung bei jedem Motorzyklus in einer angemessen verkürzten Zeitdauer vollzogen wird. Ein auf der Basis dieses Umstandes beruhendes und kürzlich vorgeschlagenes neues Motorsystem zeichnet sich durch die Verwendung einer Abgasrückführrate von weit mehr als 10 % (wenn maximiert, wird die Rückführrate nach deift. Betriebszustand . des Motors gesteuert) und durch das Vorsehen von zwei oder mehr Zündkerzen für jede Verbrennungskammer des Motors aus. Die Vielzahl von Zündkerzen bei diesem Motor ist so angeordnet, dass hierdurch jede Verbrennungskammer in etwa gleiche Volumen aufgeteilt wird, wobei die Zündkerzen im wesentlichen gleichzeitig beaufschlagt werden. Folglich beginnt die Flammausbreitung in jeder Verbrennungskammer an zwei oder mehreren voneinander in Abstand befindlichen Zündpunkten und ist bei einer erheblich verkürzten Ausbreitungswegstrecke abgeschlossen. Folglich kann ein stark verdünntes Luft-Treibstoffgemisch bei einem relativ niedrigen Maximalwert der Verbrennungstemperatur stabil und vollständig verbrannt werden.

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Das Vorsehen von zwei Zündkerzen für eine einzelne Verbrennungskammer an sich ist eine lang bekannte Technik, um die Zuverlässigkeit der Zündung zu verbessern. Diese Massnahme wurde jedoch als nachteilig für die Unterdrückung der NOx-Bildung angesehen, da hierdurch ein Beitrag zur Erhöhung der maximalen Verbrennungstemperatur erfolgt. Das vorgenannte neue Motorsystem ist einzigartig, indem eine Vielzahl von Zündkerzen für jede Verbrennungskammer vorgesehen wird, wenn ein erheblicher Abfall in der Verbrennungstemperatür durch die Rückführung des Abgases in grossen Mengen beabsichtigt ist. Bei diesem Motorsystem wird grundsätzlich das Ziel,zwischen der Verhinderung einer NOx-Emission und der Beibehaltung einer guten Motorleistung einen Ausgleich zu schaffen, dadurch erreicht, indem rasch eine Verbrennung bei niedriger Temperatur abgeschlossen wird.

Mit dem neuen Motorsystem lässt sich jedoch kein praktischer Erfolg solange erzielen, wie verschiedene Faktoren, wie die Anzahl und Anordnung der Zündkerzen, die Abgasrückführrate und die Konfiguration der Verbrennungskammern,nicht speziell in Beziehung zueinander festgelegt sind.

Ein Ziel der Erfindung ist es, bei der zuvor erwähnten Bauart für einen Innenverbrennungsmotor eine Verbesserung sowohl hinsichtlich der Unterdrückung der Bildung von NOx als auch der Betriebsweise des Motors zu..erhalten.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasrückführsystem,welches die Rückführung des Abgases in einer ausreichend hohen Menge erlaubt, um die Bildung von NOx weitestgehend zu unterdrücken, wobei jede Verbrennungskammer des Motors mit wenigstens zwei Zündkerzen oder einer solchen Anzahl von Zündkerzen versehen ist, die sich für eine maximale Abgasrückführrate am besten eignet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Motorsystems, insbesondere für Kraftfahrzeugzwecke, mit einem auf-

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und abgehende Kolben aufweisenden Verbrennungsmotor,der zwei oder drei Zündkerzen für jede Verbrennungskammer und ein Abgasrückf ührleitungssystem aufweist, wobei sowohl die Abgasrückführrate als auch die sich überlappenden Öffnungszeiten von Auslass- und Einlassventilen bei jeder Verbrennungskammer so eingestellt sind, dass ein in jede Verbrennungskammer eingegebenes Lufttreibstoffgemisch mit einer geeigneten Menge einer Mischung aus rückgeführtem Abgas und dem nicht ausgestossenen Teil des Verbrennungsgases verdünnt wird, so dass zwischen der Unterdrückung der Bildung von NOx und der Aufrechterhaltung der Motorleistung ein optimales Gleichgewicht vorliegt. Die Zündkerzen für jede Verbrennungskammer liegen in einer Anzahl und Anordnung vor, die sich für eine stabile und rasche Verbrennung der verdünnten Lufttreibstoffmischung am besten eignet.

Das erfindungsgemässe Motorsystem weist auf: einen Verbrennungsmotor mit auf- und abgehendem Kolben und einem Einlass- und einem Auslassventil für jede Verbrennungskammer; eine Vorrichtung zum Zumessen von Luft- und Treibstoff, die eine brennbare Mischung aus Luft und einem Kohlenwasserstofftreibstoff zum Motor führt, ein Abgasrückführleistungssystem zur Rückführung eines Teiles des Abgases von der Abgasleitung des Motors zu jeder Verbrennungskammer ,und zu -■ der brennbaren Mischung bei einer gesteuerten volumetrischen Strömungsrate relativ zu dem in jede Verbrennungskammer eingelassenen Luftvolumen, und wenigstens zwei Zündkerzen für jede Verbrennungskammer. Die Ein- und Auslassventile sind so aufgebaut und angeordnet, dass zwischen den Öffnungszeiten der Ventile eine wesentliche Überlappung vorliegt, so dass ein wesentlicher Teil des Verbrennungsgases zurückbleibt und nicht aus jeder Verbrennungskammer ausgestossen wird. Die zwischen der oberen Stirnfläche des Kolbens und der unteren Oberfläche eines Zylinderkopfes sich erstreckende Verbrennungskammer wird durch eine auf der Längsachse der Zylinderbohrung liegende Rotationsfläche gebildet. Die Anzahl an Zündkerzen für jede Verbrennungskammer ist durch das Gesamtvolumen an rückgeführtem Abgas und dem nicht ausgestossenen Verbrennungsgas relativ zum Volumen an jeder Ver-

brennungskaramer zugeführter Luft bestimmt. Zwei Zündkerzen liegen vor, wenn das vorgenannte Gesamtvolumen etwa 50 % des maximalen Luftvolumens beträgt, während drei Zündkerzen vorgesehen werden, wenn das Gesamtvolumen etwa 60 % des Volumens der Luft im Maximum beträgt. Die Elektrodenspalte der Vielzahl von Zündkerzen sind in jeder Verbrennungskammer so voneinander in Abstand gehalten, dass, wenn die gesamte Fläche von jeder Verbrennungskammer bei Draufsicht in eine Vielzahl von Sektoren (oder Halbkugeln) aufgeteilt wird, wobei die Anzahl der Sektoren gleich der Anzahl an Zündkerzen ist und jeder Sektor etwa die gleiche Fläche hat, jeder Sektor einen Elektrodenspalt enthält.

Die Verbrennungskammer hat vorzugsweise die Gestalt einer Halbkugel oder ist pfannkuchenartig ausgebildet, oder hat die Form einer Bodenwanne, oder es handelt sich um eine Verbrennungskammer Bauart Heron.

Jeder Elektrodenspalt in jeder Verbrennungskammer ist in einem mittleren Bereich der vorgenannten Sektoren angeordnet. Vorzugsweise sind sämtliche Elektrodenspalte bei Draufsicht auf die Verbrennungskammer auf. einer ringförmigen Fläche, angeordnet, die zwischen zwei konzentrischen Kreisen mit der Achse der Zylinderbohrung als Mittelpunkt liegt, wobei der Durchmesser der Kreise gleich 40 bzw. 60 % des Durchmessers der Zylinderbohrung ist.

Die Überlappung zwischen Auslass- und Einlassventil liegt vorzugsweise im Bereich voi
anhand der Kurbelstellung.

vorzugsweise im Bereich von etwa 20 bis 60 , ausgedrückt

Die das Lufttreibstoffgemisch zumessende Vorrichtung wird so eingestellt, dass das in jeder Verbrennungskammer vorliegende Lufttreibstoffverhältnis im Bereich zwischen 13 bis 16,5 im Durchschnitt liegt, wenn als Treibstoff Benzin verwendet wird.

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Zusanimengefasst wird durch die Erfindung ein Verbrennungsmotor mit auf- und abgehenden Kolben geschaffen, der ein Abgasrückführsystem aufweist, um die Bildung von NOx zu unterdrücken. Jede Verbrennungskammer des Motors besitzt zwei oder drei Zündkerzen. Zwischen den Öffnungszeiten von Aus- und Einlassventil liegt ferner eine wesentliche Überlappung vor, so dass ein Teil des Verbrennungsgases nicht ausgestossen zurückbleibt. Die Verbrennungskammer hat eine einfache Gestalt, z.B. die Form einer Halbkugel, und die Elektrodenspalte .^ der Vielzahl von Zündkerzen sind in jeder Verbrennungskammer so voneinander in Abstand angeordnet, dass sie etwa gleich aufgeteilte Bereiche von jeder Verbrennungskammer beaufschlagen. Die Anzahl von Zündkerzen beträgt zwei, wenn das Volumen anrückgeführtem Abgas einschliesslich dem nicht ausgestossenen Verbrennungsgas etwa 50 % bei dem maximalen in die Verbrennungskammer eingelassenen Luftvolumen liegt, während die Anzahl drei ist, wenn die rückgeführte Abgasmenge etwa 60 % des maximalen Luftvolumens ausmacht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäss aufgebautes Motorsystem,

Fig. 2 eine schematische teilweise geschnittene Ansicht von einem Leitungssystem für die Abgasrückführung bei der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine längs-geschnittene Ansicht von einer Motorverbrennungskammer für das System nach Fig. 1,

Fig. 4 ein Diagramm bezüglich des Zusammenhanges zwischen der oberen Grenzlinie von einem zulässigen Bereich

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der Abgasrückführmenge für den Motor nach Fig. 1 und der Anzahl an Zündkerzen für jede Motorverbrennung skammer ,

Fig. 5 ein Diagramm bezüglich der sich ändernden Menge an nicht ausgestossenem Verbrennungsgas als Funktion der Motordrehzahl und des Einlassvakuums,

Fig. 6 erläuternde und quergeschnittene Ansichten von zwei Verbrennungskammern, die mit ideal angeordneten zwei bzw. drei Zündkerzen versehen sind,

Fig. 8 eine schematische quergeschnittene Ansicht von einer Verbrennungskammer beim erfindungsgemässen Motorsystem mit Darstellung der Anordnung von drei Zündkerzen für eine Verbrennungskammer,

Fig. 9 schematische geschnittene Ansichten von einer L-förmigen Verbrennungskammer bzw. keilförmigen Verbrennungskammer mit Darstellung der Zweipunktzündung in diesen Kammern,

Fig. 11 schematische geschnittene Ansichten von einer pfannkuchenförmigen, badewannenartigen und einer Verbrennungskammer Typ Heron mit Darstellung der Zweipunktzündung in diesen Kammern,

Fig. 14 eine grafische Darstellung bezüglich der Abhängigkeit der NOx-Emission und des optimalen Zündzeitpunktes von der AbgasrückfÜhrmenge bei halbkugel- und L-förmigen Verbrennungskammern mit unterschiedlichen Anzahlen an Zündkerzen,

Fig. 15 eine grafische Ansicht bezüglich des Zusammenhanges zwischen dem Lufttreibstoffverhältnis und dem optimalen Zündzeitpunkt bei einem erfindungsgemäss Motorsystem,

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Fig. 16 eine grafische Darstellung, die die Änderungen in der NOx-Emission und der Kraftstoffausbeutung als Funktion der Abgasrückführrate - bei verschiedenen Lufttreibstoffverhältnissesn zeigt,

Fig. 17 schematische quergeschnittene Ansichten von einer ^un Verbrennungskammer mit Darstellung von zwei unterschiedlichen Anordnungen für den Einlasskanal, um eine Verwirbelung des Lufttreibstoffgemisches in der Verbrennungskammer zu erhalten, und

Fig. 19 eine geschnittene Ansicht von einem Einlasskanal und einem Einlassventil mit Darstellung einer anderen Massnahme zur Schaffung einer Verwirbelung.

In den Fig. 1 bis 3 ist ein Vierzylinder-Verbrennungsmotor 10 mit einem Vergaser 12 versehen, der ein Lufttreibstoffgemisch den betreffenden Motorzylindern , d.h. den mit 14 angedeuteten Verbrennungskammern, durch eine 'Ansaugpassage 16, einen Einlassverteiler 18 und Einlasskanäle 20 zuführt. Ein Einlassventil 22 und Auslassventil 24 ist bei jeder Verbrennungskammer 14 in üblicher Weise vorgesehen. Drei Zündkerzen 26a, 26E und 26C sind für jede Verbrennungskammer 14 vorgesehen, wobei diese wie nachfolgend näher beschrieben ist, unter gewissen Abständen voneinander liegen. Ein nicht gezeigter Zündkreis ist so ausgebildet, dass die drei Zündkerzen 26A, 26B, 26C im wesentlichen gleichzeitig beaufschlagt werden. Die Abgasleitung des Motors 1O enthält Abgaskanäle 28, einen thermischen Reaktor 30, der auch als Abgasverteil-er dient, und ein Abgasrohr 32. Eine Abgasrückführpassage 34 verbindet den thermischen Reaktor 30 entweder mit dem Einlassverteiler 18 oder der Ansaugpassage 16 an einer Stelle abstromseitig des Vergasers 12,um einen Teil des Abgases in die Verbrennungskammern 14 zurückzuführen. Ein Strömungssteuerventil 36 ist so ausgelegt, dass es das Volumen an rückgeführtem Abgas relativ zum Volumen an in die Verbrennungskammern 14 eingezogener Luft steuert, indem die wirksame Querschnittsfläche der Rückführpassage 34 entsprechend dem Betriebszustand des Motors 10 verändert wird.

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Ein Beispiel für den Aufbau des Rückführsteuerventils 36 ist in Fig. 2 gegeben. Die Rückführpassage 34 besitzt eine Zumessbohrung 38, während ein im wesentlichen konisches Ventilelement 40 axial beweglich in der Passage 34 eingesetzt ist, um die wirksame Querschnittsfläche der Zumessbohrung 38 zu verändern. Ein Ventilbetätigungsglied 42 für dieses Ventilelement 40 hat ein Gehäuse 44 und eine flexible Membran 46, die das innere des Gehäuses 44 in zwei Kammern aufteilt und das Ventilelement 40 trägt. Eine (angedeutet mit 48) der beiden Kammern steht mit der Atmosphäre in Verbindung, während die andere Kammer 50 als Vakuumkammer dient. Z.B. verbindet eine Vakuumpassage 52 die Vakuumkammer 50 mit dem Ventür!bereich 12a des Vergasers 12, und ein Vakuumverstärker 54 befindet sich an einem zwischenliegenden Abschnitt der Passage 52. Das Venturivakuum im Vergaser 12, dessen Stärke proportional zu der Menge an vom Motor angesaugter Luft ist, wird zum Vakuumverstärker 54 geleitet, und ein verstärktes Vakuumsignal wird der Vakuumkammer 50 zugeführt. Die Membran 46 und damit das Ventileleraent 40 nehmen je nach Stärke des Vakuums in der Kammer 50 unterschiedliche Stellungen ein, so dass die Menge an rückgeführtem Abgas sich proportional zur Menge an vom Motor 10 angesaugter Luft ändert. Der Vakuumverstärker 54, bei dem sich um eine Membraneinrichtung handeln kann, ist bekannt und braucht daher nicht im Detail weiter erläutert zu werden.

Jeder Motorzylinder (in Fig. 3 mit 56 angedeutet) enthält in bekannter Weise einen auf- und abgehenden Kolben 58. Jede Verbrennungskammer 14 ist zwischen der oberen Stirnfläche 58a und der geformten unteren Fläche 60a eines Zylinderkopfes 60 definiert. Die Verbrennungskammern,14 haben bei diesem Ausführungsbeispiel eine halbkugelförmige Gestalt. Die Verbrennungskammern 14 können jedoch auch anders gestaltet sein, solange die Form einfach ist. Vorzugsweise ist die Gestalt der Verbrennungskammer 14 symmetrisch zur Längsachse 57 der Zylinderbohrung und wird weiter die Verbrennungskammer 14 durch eine Umdrehungsflache um die Achse 57 gebildet

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(es versteht sich, dass die Verbrennungskammer 14 gewisse Formabweichungen haben kann, um die Zündkerzen 26A, 26B und 26C sowie die Ventile 22, 24 anordnen zu können). ferner ist die Verbrennungskammer 14 vorzugsweise vollständig in einer imaginären und axialen Verlängerung der Zylinderbohrung enthalten.

Das Ein- und Auslassventil 22 und 24 sind Tellerventile üblicher Bauart, die durch ein nicht gezeigtes Antriebssystem betätigt werden. Bei dem vorliegenden Motor 10 ist die Überlappung der betreffenden Öffnungszeiten von Auslassventil 24 und Einlassventil 22 an jeder Verbrennungskammer 14 bei einem Endteil des Ausstosshubes und einem anfänglichen Teil des nachfolgenden Einlasshubes wesentlich grosser als die Überlappung bei konventionellen Motoren ähnlicher Bauart: Die Überlappung wird in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 60 ausgedrückt anhand des Kurbelwinkels eingestellt. Die zeittaktmässige Ventilüberlappung wird erhöht, so dass eine beträchtliche Menge an Verbrennungsgas unausgestossen zurückbleiben kann und sich mit dem neu eingeführten Lufttreibstoffgemisch nebst dem über die Passage 34 rückgeführten Abgas vermischt. Da das nicht ausgestossene Verbrennungsgas und das rückgeführte Abgas die gleiche Funktion haben, ist das Gesamtvolumen an nicht ausgestossenem Verbrennungsgas und rückgeführten Abgas bei der Abgasrückführrate oder «> -inenge (relativ zum Volumen an zugeführter Luft) bei der nachfolgenden Erläuterung berücksichtigt. Um einen gewünschten grossen Teil des Verbrennungsgases nicht ausgestossen zurückzulassen, beträgt vorzugsweise der Durchmesser D. des Kopfes des Einlassventiles 22 47 +_ 5 % des Durchmessers D der Zylinderbohrung und der Durchmesser D des Kopfes des Auslassventiles 24 45 +_ 5 % von D, wenn die vorgenannte zeittaktmässige Ventilüberlappung vorgesehen wird.

Die Menge an nicht ausgestossenem Verbrennungsgas nach Beendigung des Ausstosshubes während des Motorleerlaufes

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beläuft sich auf beispielsweise 30 bis 40 % des Volumens an neu hinzugeführter Luft, wenn das Ein- und Auslassventil 22 und 24 wie vorgenannt ausgelegt und betätigt werden. Folglich wird eine erwünschte Abgasrückführrate während des Leerlaufes des Motors 10 erhalten,ohne die Rückführung durch die Passage 34 vorzunehmen (das Steuerventil 36 nimmt eine vollständig geschlossene Stellung an). Die beabsichtigte Zurückbehaltung einer wesentlichen Menge an Verbrennungsgas wird gewöhnlich als innere Abgasrückführung bezeichnet.

Die Anzahl an Zündkerzen für jede Verbrennungskammer 14 braucht nicht notwendigerweise, wie in Fig. 1 drei betragen, sondern es können manchmal auch zwei vorhanden sein. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, dass die Anzahl an Zündkerzen für jede Verbrennungskammer 14 speziell in Abhängigkeit von dem maximalen Wert für eine verwendete Abgasrückführungsrate bestimmt wird. Die Anzahl an Zündkerzen erhöht sich, wenn die Abgasrückführungsrate heraufgesetzt wird. Fig. 4 gibt eine Zusammenfassung der erhaltenen experimentellen Ergebnisse. Wenn die Verbrennungskammer 14 mit nur einer Zündkerze, wie bei konventionellen Motoren, versehen ist, kann die Abgasrückführungsrate (im oben definierten Sinn) auf nicht mehr als etwa 20 % gebracht werden, ohne eine unstabile Verbrennung hervorzurufen. Wenn zwei Zündkerzen vorgesehen sind, kann die Abgasrückführungsrate auf etwa 50 % erhöht werden, ohne dass dies irgendeine Instabilität in der Verbrennung hervorruft. Das Vorsehen von drei Zündkerzen erlaubt die Verwendung von Abgasrückführungsraten bis zu 60%. Die Abgasrückführungsrate kann durch Verwendung von vier Zündkerzen weiter erhöht werden, doch ist eine derart hohe Rückführungsrate unnötig und erweist sich die Anordnung von vier Zündkkerzen für jede Verbrennungskammer 14 als unpraktikabel. Die erwähnten Werte (20%, 50% und 60%) für die Abgasrückführungsrate sollten als obere Grenzwerte angenommen werden, um eine stabile Verbrennung aufrechtzuerhalten. Beispielsweise tritt eine instabile Verbrennung bei einer Abgasrückführungsrate zwischen 0 und etwa 60 % nicht auf, wenn jede Verbrennungskammer

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14 rait drei Zündkerzen versehen ist. Zwei Zündkerzen reichen zur Vermeidung einer instabilen Verbrennung aus, wenn die Abgasrückführungsrate einen Wert von etwa 50 % unter maximalen Verhältnissen nicht überschreitet. Der maximale Wert für die Abgasrückführungsrate wird entsprechend dem gewünschten oder notwendigen Niveau an NOx-Emission am Motor eingestellt: Je mehr Abgas rückgeführt wird, desto stärker wird die Bildung von NOx unterdrückt.

In Fig. 4 kennzeichnet die schraffierte Fläche den Anteil an innerer Abgasrückführung (nicht ausgestossenem Verbrennungsgas) bei einem Vierzylindermotor von 2OOO cm und einer Drehzahl von 2000 U/min bei einem Verdichtungsverhältnis von 8,5. Der Anteil an innerer Abgasrückführung ändert sich je nach Betriebszustand des Motors. Im allgemeinen wird die Menge an nicht ausgestossenem Verbrennungsgas bei einem Betriebszustandsbereich minimal, bei dem das maximale Drehmoment abgegeben wird und nimmt zu, wenn der Betriebszustand sich in Richtung auf eine minimale Belastung ändert. Die Linien R--R. in Fig. 5 geben den Verlauf der Menge an nicht ausgestossenem Verbrennungsgas an (die Menge nimmt mit steigender Indexzahl zu). Die Menge an nicht ausgestossenem Verbrennungsgas hängt ferner von der Motordrehzahl ab und durchläuft ein Maximum bei einem mittleren Drehzahlbereich, wie dies in Fig. 5 gezeigt .ist. Die Steuerung der Abgasrückführung durch die Rückführpassage 34 sollte unter Berücksichtigung der sich ändernden Menge an nicht ausgestossenem Verbrennungsgas vorgenommen werden.

Die Anordnung von mehreren Zündkerzen an jeder Verbrennungskammer ist ein s«;hr wichtiges Merkmal an dem erfindungsgemässen Motorsystem. Im Idealfall sollte die Verbrennung, die von den Elektrodenspalten (angedeutet mit 27A, 27B, 27C in Fig. 3) ausgeht, — ^: ■' in dem gesamten Volumen der Verbrennungskammer 14 abgeschlossen sein, wenn sich die Vielzahl an von den betreffenden Elektrodenspalten ausbreitenden Flammfronten treffen. In Wirklichkeit kann eine derartige Flammausbreitung

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nicht realisiert werden, welche Art der Anordnung der Elektrodenspalte auch immer verwendet wird, da jede Flammfront eine im wesentlichen kugelförmige Oberfläche hat.Experimentell wurde jedoch bestätigt, dass der Motor mit guter Stabilität, Treibstoffausnutzung und Abtriebsverhalten bei selbst einer hohen Abgasrückführungsrate läuft, wenn die Verbrennung bei etwa 80 % oder mehr des Gesamtvolumens von jeder Verbrennungskammer in dem Moment beendet ist, bei dem der Kolben bei jedem Arbeitshub eine Stellung erreicht, die durch einen Kurbelwinkel von etwa 40° (etwa 15 % des Hubes) nach dem oberen Totpunkt bestimmt ist. Eine derartige Verbrennung lässt sich realisieren, wenn die Vielzahl von Elektrodenspalten in folgender Weise angeordnet wird.

Bei Vorsehen von zwei Zündkerzen 26A, 26B an jeder Verbrennungskammer 14 muss ein Elektrodenspalt 27A oder 27B in jedem Halbteil aufgeteilt durch eine die Achse 57 der Zylinderbohrung enthaltenden Ebene angeordnet werden. Nach Fig. 6 werden vorzugsweise die beiden Elektrodenspalte 27A, 27B bei Draufsicht auf die Verbrennungskammer 14 auf einem Kreis mit dem Durchmesser d. angeordnet, der gleich 0,5 D ist und dessen Mittelpunkt mit der Bohrungsachse 57 zusammenfällt. Der Winkelabstand zwischen den Elektrodenspalten beträgt 180°. Mit anderen Worten die beiden Elektrodenspalte 27A, 27B liegen in einem Abstand von 0,5 D voneinander und symmetrisch zur Bohrungsachse 57.

Fig. 7 zeigt eine ideale Anordnung von drei Elektrodenspalten 27A, 27B, 27C bei einer halbkugelförmigen Verbrennungskammer Hier wird die Verbrennungskammer 14 bei Draufsicht gedanklich in drei gleiche Bereiche A., A₂ und A₃ durch die drei Ebenen X, Y und Z aufgeteilt, die in einem Abstand von 120° voneinander liegen und sich auf der Bohrungsachse 57 schneiden. Die drei Elektrodenspalte 27A, 27B, 27C sind so angeordnet, dass jede der drei gleichen Zonen oder Sektoren A₁, A₂ # A₃

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einen Elektrodenspalt 27A, 27B oder 27C in seinem mittleren Bereich enthält. Insbesondere liegen die drei Elektrodenspalte 27A, 27B, 27C auf einem Kreis mit der Bohrungsachse 57 als Mittelpunkt, wobei dieser Kreis in drei gleiche Teile aufgeteilt wird. Der Durchmesser d_ des Kreises ist gleich 0,54 D .

In der Praxis können die beiden Elektrodenspalte 27A, 27B im wesentlichen wie bei Fig. 6 angeordnet werden, ohne dass eine Beeinträchtigung der Ein- und Auslassventile 22 und 24 vorliegt (diese Ventile sind in den Fig. 6-7 aus Gründen der Einfachheit weggelassen). Die Anordnung von drei Elektrodenspalten 27A, 27B, 27C gemäss Fig. 7 ist jedoch in der Praxis wegen der Ein- und Auslassventile 22 und 24 kaum realisierbar. Folglich wird vorzugsweise die Anordnung nach Fig. 7 wie in Fig. 8 gezeigt ·, leicht modifiziert. Die Verbrennungskanuner ist bei Draufsicht in drei gleiche (oder annähernd gleiche) Zonen A₁, A-, A-, durch die drei Ebenen X, Y, Z hier ebenfalls aufgeteilt und die drei Elektrodenspalte 27A, 27B, 27C sind den drei Zonen A₁, K--, A-. zugeordnet. Die drei Elektrodenspalte 27A, 27B, 27C liegen orzugsweise auf einer ringförmigen Fläche (mit B in Fig. 8 angedeutet), die bei Draufsicht auf die Verbrennungskammer 14 durch einen Kreis C₁ mit einem Durchmesser d, von etwa 0,4 D und einem weiteren zum Kreis C₁ konzentrischen Kreis C_ mit einem Durchmesser d. von etwa 0,6 D definiert ist, wobei der Mittelpunkt des Kreises C. mit der Bohrungsachse 57 zusammenfällt. Ferner ist jeder Elektrodenspalt 27A, 27B, 27C so nahe wie möglich in der Mitte der betreffenden Zonen A-, A₂ oder A₃ angeordnet, so dass die Umfangsabstände zwischen benachbarten Elektrodenspalten grösstmöglich werden.

Der Vorteil aus dem Vorsehen von mehreren Zündkerzen an jeder Verbrennungskammer wird nur dann erhalten, wenn die Zündkerzen oder ihre Elektrodenspalte in der zuvor beschriebenen Weise

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sorgfältig angeordnet werden. Praktisch wird kein Vorteil erzielt, wenn die Vielzahl von Elektrodenspalten zu einem Bündel zusammengefasst wird. Andererseits eine wünschenswert rasche Vollendung der Verbrennung nicht erhalten, wenn die Vielzahl von Elektrodenspalten bei Draufsicht auf die Verbrennungskammer in übermässig grossem Abstand voneinander liegt.

Wie zuvor erwähnt, gibt es eine gewisse Beschränkung hinsichtlich der Gestalt der Verbrennungskammer 14, um eine gleichmassigä und wirksame Ausbreitung der verschiedenen Flammfronten zu realisieren. Z.B. ist weder eine in Fig. 9 gezeigte L-förmige Verbrennungskammer 14 (mit Ricardo-Zylinderkopf) noch eine keilförmige Verbrennungskammer 214 nach Fig. 10 für das erfindungsgemässe Motorsystem geeignet ( keine dieser Verbrennungskammern 114 und 214 liegt symmetrisch zur Bohrungsachse 57). Beispiele für geeignete einfache und symmetrische Formen für die Verbrennungskammer 14 ausser der halbkugelförmigen Gestaltung sind in Fig. 11, 12 und 13 gegeben. Fig. 11 zeigt eine pfannkuchenförmige Verbrennungskammer 14B, Fig. 12 eine badewannenartige Verbrennungskammer 14C und Fig. 13 eine Verbrennungskammer 14D Typ Heron. Jede dieser Verbrennungskammern 14B, 14C und 14D liegt symmetrisch.^ zur Bohrungsachse 57 und ist in einer gedachten axialen Verlängerung der Zylinderbohrung enthalten. Der Flammausbreitung wird bei diesen drei Arten von Verbrennungskammern 14B, 14C, 14D (als auch bei der halbkugelförmigen Verbrennungskammer 14) kein Hindernis entgegengesetzt, so dass sich die Flammen über ein relativ grosses Volumen pro Zeiteinheit bei jeder dieser Verbrennungskammern 14A, 14B, 14C und 14D ausbreiten.

Die halbkugelförmige Kammer 14 ist für zwei oder drei Zündkerzen 26A, 26B, 26C besonders günstig, da die Wand dieser Verbrennungs-

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kammer 14 den geringsten Widerstand einer glattten Ausbreitung der kugelförmigen Flanuufronten von den betreffenden Zündpunkten bietet und die Verbrennung in einem sehr grossen Volumen pro Zeiteinheit abgeschlossen wird.

Die pfannkuchenartig gestaltete Verbrennungskammer 14B ist ebenso gut wie die halbkugelförmige Verbrennungskammer 14 hinsichtlich der glatten Flanunausbreitung, jedoch hinsichtlich der volumetrischen Verbrennungsrate unmittelbar nach der Zündung etwas weniger günstiger. Die pfannkuchenartige Verbrennungskammer 14B weist jedoch wirtschaftliche Vorteile auf, da sich sowohl die Formgebung der unteren Oberfläche 60a des Zylinderkopfes 60 als auch die Anordnung der Vielzahl von Zündkerzen und der Eir.- und Auslassventile (diese Ventile sind in Fig. 11-13 weggelassen) einfacher gestaltet.

Die badenwannenförmige Verbrennungskammer 14C ist grundsätzlich mit der pfannkuchenartigen hinsichtlich der glatten Flammausbreitung und der volumetrischen Rate der Flanunausbreitung vergleichbar. Diese Bauart der Verbrennungskammer 14C hat den Vorteil, dass am Ende des Kompressionshubes ein Vermengen eintritt (das brennbare Gasgemisch wird kräftig von einem ümfangsbereich der Zylinderbohrung in einen mittleren Bereich der Ausnehmung im Zylinderkopf hineingedrückt). Dies hat zur Folge, dass die Bildung einer kühlenden Zone verhindert wird und damit die Emission an nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen herabgesetzt ist. Diese Verbrennungskammer 14C kann in einfacher Weise so ausgelegt werden, dass das_Ausmass^; der Vermengung optimal wird.

Die Verbrennungskammer 14D Typ Heron ist vergleichbar mit der halbkugelförmigen Verbrennungskammer 14 hinsichtlich der Gleichförmigkeit und mittleren volumetrischen Rate der Flanunausbreitung, doch erweist sie sich ähnlich der pfannkuchenförmigen Verbrennungskammer 14B hinsichtlich der Wirksamkeit der Flanunausbreitung unmittelbar nach Zündung. Darüberhinaus

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erfolgt ein Vermengen bei dieser Verbrennungskammer 14D im wesentlichen in der gleichen Weise wie bei der badenwannenförmigen Verbrennungskammer 14C.

Zu berücksichtigen ist weiter auch die Abmessung von jeder Verbrennungskammer, um das mehrstellige Zündungsverfahren durchzuführen. Es versteht sich, dass die Verbrennung nicht in einer wünschenswert kurzen Zeitdauer selbst bei zwei oder drei Zündkerzen in jeder Verbrennungskammer abgeschlossen werden kann. Andererseits ist das Vorsehen einer Vielzahl von Zündkerzen bei einer extrem kleinen Verbrennungskammer nicht nur schwierig, sondern auch praktisch uneffektiv. Bei der Erfindung wird bevorzugt, dass das Volumen von jeder Verbrennungskammer 14, 14B, 14C oder 14D am oberen Totpunkt des Kolbens 58 im Bereich von 25 bis 85 cm liegt, während die Verdrängung von jedem Motorzylinder 56 etwa 29O bis 600 cm und das Kompressionsverhältnis etwa 8 bis 10,5 betragen. Wie aus diesen Werten hervorgeht, eignet sich ein erfindungsgemässes Motorsystem besonders für einen Fahrzeugmotor.

Es wurde ein Vergleichsversuch an der halbkugelförmigen Verbrennungskammer 14 und der L-förmigen Verbrennungskammer 114 durchgeführt, um die Abhängigkeit der NOx-Konzentration im Abgas und die erforderliche ZündZeitpunkteinstellung zu überprüfen. Das Ergebnis ist in Fig. 14 wiedergegeben. Die Kurven H und H¹ betreffen die halbkugelförmige Verbrennungskammer 14, während die Kurven L und L¹ sich auf die L-förmige Verbrennungskammer 114 beziehen. Die Indexzahlen 1,2 und 3 geben die Anzahl an Zündkerzen wieder. Die durch unterbrochene Linien markierten Kurven M-. und hL kennzeichnen den realisierbaren minimalen Wert an NOx-Emission bei der halbkugelförmigen bzw. L-förmigen Verbrennungskammer, unabhängig von der Stabilität der Verbrennung. Die Kurve S stellt die Grenze zwischen Stabilität und Instabilität dar: Die Verbrennung wird im Bereich oberhalb dieser Kurve S instabil. Bei zwei Zündkerzen

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wurde im wesentlichen die gleiche Elektrodenspaltanordnuag für die beiden Arten Verbrennungskammern 14 und 114 verwendet.

Für beide Verbrennungskammern 14, 114 bringt die Zweipunktzündung eine beträchtliche Ausdehnung des stabilen Verbrennungsbereiches in bezug auf die Abgasrückführrate, wie dies aus dem Vergleich der Kurven H₁, H₁', L₁ und L ' mit den betreffenden Kurven H₂, H-¹, L_ und L-' hervorgeht. Durch die Zweipunktzündung lässt sich die Abgasrückführrate erhöhen und die Emission an NOx praktisch herabsetzen, wie aus dem Vergleich mit den Grenzwerten bei einer Zündung an einer einzelnen Stelle hervorgeht. Bei der L-förmigen Verbrennungskammer 114 ist es jedoch praktisch unmöglich, die Abgasrückf ührrate über etwa 20% selbst bei der Zweipuntkzündung zu erhöhen, da die Verbrennung oder der Motorbetrieb in nennenswertem Umfang instabil wird. Wenn die Zweipunktzündung bei der halbkugelförmigen Verbrennungskammer 14 vorgesehen wird, lässt sich die Abgasrückführrate bis etwa 40 % ohne Verlust an Stabilität bei der Verbrennung oder dem Motorbetrieb erhöhen. Die Abgasrückführrate kann unter Beibehaltung der Stabilität durch die Dreipunktzündung bei einer Verbrennungskammer 14 dieser Bauart bis etwa 60 % weiter erhöht werden. Diese hohen Abgasrückf ührraten bedingen eine bemerkenswerte Unterdrückung der Bildung von NOx.

Die erforderliche Zündpunkteinstellung oder die Vorzündung ausgedrückt in Graden vor dem oberen Totpunkt nimmt im allgemeinen zu, wenn die Verbrennungsrate abfällt, um sicherzustellen, dass die Verbrennung bei etwa 80% oder mehr des gesamten Volumens von jeder Verbrennungskammer abgeschlossen ist, wenn etwa 15% des Arbeitshubes vorliegen. Eine Erhöhung der Vorzündung ist jedoch mit einer Erhöhung der Verlustarbeit aufgrund der Verbrennung von einer erhöhten Menge an Lufttreibstoffgemisch während jedes Kompressionshubes verbunden. Eine starke Erhöhung der Frühzündung ist somit hinsichtlich des

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Leistungs verhalten des Motors ungünstig. Wie Fig. 14 zeigt, wird grundsätzlich eine geringere Frühzündung bei der halbkugelförmigen Verbrennungkammer 14 als bei der L-förmigen Verbrennungskammer 114 benötigt, und kann die Frühzündung herabgesetzt werden, wenn eine grössere Anzahl an Elektrodenspalten in jeder Verbrennungskammer vorgesehen wird. Diese Versuchsergebnisse beweisen, dass durch die Mehrpunktzündung ein wesentlicher Beitrag zur Verkürzung der Verbrennungszeit geleistet wird. Des weiteren zeigen die Ergebnisse das bessere Verhalten der halbkugelförmigen Verbrennungskammer 14 hinsichtlich der Treibstoffausnutzung und der Leistungsabgabe des Motors.

Das in den Verbrennungskammern erhaltene Lufttreibstoffverhältnis ist ein weiterer Faktor, der bei der praktischen Anwendung der Erfindung berücksichtigt werden muss. Es erscheint möglich, die maximale Verbrennungstemperatur zu erniedrigen und die Bildung von NOx zu unterdrücken, wenn der Motor 10 anstelle von Rückführung des Abgases mit einem sehr mageren Lufttreibstoffgemisch betrieben wird (mit einem Lufttreibstoffverhältnis weit oberhalb des stöichiometrischen Lufttreibstoffverhältnisses); dies, da man erwarten sollte, dass der Luftüberschuss als Kühl- oder Verdünnungsmittel wirkt (zwei oder mehr Zündkerzen können in diesem Fall ebenfalls,, je nachdem wie mager das Gemisch ist, verwendet werden). In Wirklichkeit führt diese Vorgehensweise nicht zum Erfolg, da der Sauerstoff in dem Luftüberschuss mit dem Stickstoff reagiert und während der Verbrennung bei hohen Temperaturen NOx bildet. Die Bildung von NOx wird insbesondere vergrössert, wenn die Menge an überschüssiger Luft so gross wie die Menge an rückgeführtem Abgas bei dem erfindungsgemässen Motorsystem ist. Daneben hat das rückgeführte Abgas eine grössere Wärmekapazität (spezifische Wärme) als die Luft. Folglich wirkt das Abgas als wirksameres Verdünnungsmittel als die Luft, um die maximale Verbrennungstemperatur herabzusetzen: Die Rückführung des Abgases ist

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demzufolge vorteilhafter als die Verwendung eines sehr mageren Gemisches bei dem Ziel, die Bildung von NOx zu unterdrücken. Die Emission von NOx lässt sich durch Rückführen des Abgases mit einer Menge unterhalb eines bestimmten Niveaus reduzieren ,die kleiner als die. Menge an überschüssiger Luft ist, die zur Erzielung desselben Niveaus mittels eines mageren Lufttreibstoffgemisches erforderlich wäre, so dass der Motor eine bessere Brennstoffausnutzung und Abtriebsleistung zeigt, wenn die NOx Emission durch die Abgasführung unterdrückt wird.

Bei der Erfindung wird das Lufttreibstoffverhältnis bei oder um das stöchiometrische Lufttreibstoffverhältnis gehalten. Bei einem Luftbenzingemisch beträgt das stöchiometrische Lufttreibstoffverhältnis etwa 14,7, so dass das Lufttreibstoffverhältnis auf 13 bis 16,5 eingestellt wird. Wie zuvor erwähnt, beziehen sich die in der Beschreibung gegebenen Werte für das Lufttreibstoffverhältnis auf das in den Verbrennungskammern des Motors zum Zündzeitpunkt vorliegende Verhältnis. Wenn das rückgeführte Abgas eine wesentliche Menge an Luft enthält, die z.B. durch Einführen von Sekundärluft in den thermischen Reaktor 30 herrührt, wird der Vergaser 12 so eingestellt, dass er ein Lufttreibstoffgemisch mit einem geringeren Verhältnis als das veranschlagte Verhältnis abgibt. Es versteht, dass der in der Zeichung gezeigte Vergaser 12 ein Beispiel für eine konventionelle Einrichtung zum Zumessen von Luft und Treibstoff darstellt, und dass die Einstellung für das Lufttreibstoffverhältniss bei dem Vergaser 12 in ähnlicher Weise auch bei einem elektronisch gesteuerten Treibstoffeinspritzsystem (nicht gezeigt) anwendbar ist, wenn ein solches System anstelle eines Vergasers 12 vorgesehen wird. Bekanntlich wird das Lufttreibstoffverhältnis gezielt entsprechend dem Betriebszustand des Motors verändert. Das Lufttreibstoffverhältnis bei der Erfindung ist nicht auf einen Wert innerhalb des oben angegebenen Bereiches von 13 bis 16,5 festgelegt, sondern wird im Mittel in diesem Bereich gehalten. Das Lufttreibstoffverhältnis bleibt natürlich

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in diesem Bereich bei einer mittleren Drehzahl des Motors

Fig. 15 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Lufttreibstoffverhältnis und der erforderlichen Zündzeitpunkteinstellung (in Grad BTDC),wie er für einen Motor mit halbkugelförmigen Verbrennungskammern ermittelt wurde. Jede Verbrennungskammer war mit zwei Zündkerzen versehen und die Abgasrückführrate betrug konstant 30%. Wie dargestellt, kann die Vorzündung auf einen minimalen Wert gebracht werden, was bedeutet, dass der Motor stabil und mit hohem Leistungsgrad arbeitet, wenn das Lufttreibstoffverhältnis im oben angegebenen Bereich liegt.

Der Einfluss des Lufttreibstoffverhältnisses auf die Höhe der NOx Emission und der Treibstoffausnutzung des Motors wurde bei dem gleichen Motor (halbkugelförmige Verbrennungskammern mit zwei Zündkerzen) bei verschiedenen Abgasrückführraten untersucht. Das Ergebnis ist in Fig. 16 wiedergegeben. Die Höhe an NOx Emission nahm stets ab, wenn die Abgasrückführrate innerhalb des Bereiches von 0 bis 40% angehoben wurde, wobei der Versuch bei vier unterschiedlichen Lufttreibstoffverhältnissen von 13, 15, 16 und 18 wiederholt wurden. Der stabile Arbeitsbereich in bezug auf die Abgasrückführrate verkleinerte sich jedoch mit zunehmendem Lufttreibstoffverhältnis. Wenn das Lufttreibstoffverhältnis 18 betrug, konnte die Abgasrückführrate auf nicht mehr als 7 bis 8 % wegen einer beträchtlichen Instabilität des Motorbetriebes gebracht werden. Die Abgasrückführung konnte, ohne dass damit eine Instabilität des Motorbetriebes verbunden war, in wesentlichem Umfang erhöht werden, wenn dasj- Luf ttreibstoffverhältnis 13 oder 15'betrag-. Speziell hinsichtlich der Höhe an NOx Emission war die Einstellung des LufttreibstoffVerhältnisses auf 13 am wirksamsten. Es ist jedoch vorteilhafter, das Lufttreibstoffverhältnis auf 15 und damit sehr nahe beim stöchiometrischen Verhältnis unter Berücksichtigung des Zusammenhanges zwischen Lufttreibstoffverhältnis und Treibstoffausnutzung einzustellen.

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Wenn es ausreicht, die Emission von NOx auf ein Niveau N-, das nicht besonders niedrig ist, zu unterdrücken, wird dieses Ziel bei bester Treibstoffausnutzung erhalten, wenn das Lufttreibstoff verhältnis auf 15 eingestellt wird. Die Treibstoffausnutzung wird andererseits schlechter bei einer Änderung des LufttreibstoffVerhältnisses auf 13, 16 und 18. Wenn ein weit niedrigeres Niveau N- für die NOx Emission erforderlich ist, kann dieser Anforderung nicht dadurch nachgekommen werden, indem man das Lufttreibstoffverhältnis auf 16 oder 18 wegen des schmalen stabilen Arbeitsbereiches einstellt. Vielmehr wird diese Anforderung entweder durch ein Lufttreibstoffverhältnis von 13 oder 15 entsprochen, wobei eine bessere Treibstoffausnutzung bei einem Lufttreibstoffverhältnis von 15 vorliegt.

Daraus ergibt,dass bei einem erfindungsgemässen Motorsystem die Einhaltung eines Lufttreibstoffverhältnisses im Bereich von 13 bis 16,5, insbesondere in der mittleren Region dieses Bereiches am günstigsten für eine weitestgehende Unterdrückung der Bildung von NOx ist, wobei gleichzeitig der Motor mit einer guten Treibstoffausnutzung arbeitet.

Als Hilfe für eine rasche Vollendung der Verbrennung wird bevorzugt, dass die Verbrennungskammer, die mit zwei oder drei Zündkerzen versehen ist, so ausgelegt wird, dass ein Verwirbeln und/oder Vermengen (squishing) des verdünnten Verbrennungsgemisches eintritt. Wie bekannt, erweisen sich diese Phänomene wirksam hinsichtlich einer innigen Homogenisierung des Gemisches und fördern die Zerstäubung des Treibstoffes. Das Vermengen tritt fast stets bei der badewannenförmigen Verbrennungskammer 14C und der Verbrennungskammer 14D Typ Heron auf. Es ist leicht, das Vermengen in der halbkugelförmigen Verbrennungskammer 14 und der pfannkuchenförmigen Verbrennungskammer 14B zu realisieren, wenn diese Verbrennungskammern 14, 14B an einem ümfangsbereich eine leichte Modifikation erfahren. Dennoch muss darauf geachtet werden, dass kein übermässig intensives Vermengen bei dem erfindungsgemässen Motorsystem erfolgt,

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da ein übermässig intensives Vermengen zu einer Erhöhung der maximalen Verbrennungstemperatur führt.

Eine Verwirbelung des verdünnten Verbrennungsgemisches lässt sich auf verschiedene Weise erreichen. Einige Beispiele sind in den Fig. 17-19 gegeben. In Fig. 17 weisen sowohl Einlasskanal 20 als auch der Auslasskanal 28 von jeder Verbrennungskammer 14 nicht zur Mitte der Verbrennungskammer 14 bei Draufsicht. Bei derselben Ansicht erstreckt sich die Achse des Einlasskanales 20 an einer Seite im wesentlichen normal zum Durchmesser der Verbrennungskammer 14, während die Achse des Auslasskanals 28 an der anderen Seite des gleichen Durchmessers im wesentlich normal zu diesem liegt. Die betreffenden Achsen von Ein- und Auslasskanal 20, 28 treffen sich nicht oder schneiden sich, sondern laufen einander vorbei. Folge hiervon ist, dass das Lufttreibstoffgemisch, das mit dem rückgeführten Abgas verdünnt ist, bei Einströmen in die Verbrennungskammer 14 zu einer Verwirbelung gezwungen wird.

In Fig. 18 erstreckt oder krümmt sich der Eingangskanal 20 bei Draufsicht auf dieVerbrennungskammer 14 längs eines Teiles eines Kreises, so dass das verdünnte Lufttreibstoffgemisch bei Einströmen in die Verbrennungskammer 14 eine Verwirbelung erfährt. *

In Fig. 19 ist eine Verwirbelungsplatte 64, die die Form von einem bogenförmigen Streifen hat, an der konischen Oberfläche 22a am Kopf des Einlassventiles 22 befestigt, wodurch das verdünnte Lufttreibstoffgemisch .in Umfangsrichtung geführt wird. Als Alternative hierzu kann eine grundsätzlich ähnliche nicht gezeigte Verwirbelungsplatte auch am Ventilsitz 23 für das Einlassventil 22 befestigt werden.

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Eine Verwirbelung bedingende Massnahmen sind hoch wirksam, um das Lufttreibstoffgemisch mit dem rückgeführten Abgas insbesondere dann innig zu vermischen, wenn die Abgasrückführung bei hohen Raten erfolgt.

Der thermische Reaktor 30 ist in dem Abgassystem angeordnet, um die unverbrannten Kohlenwasserstoffe und das im Abgas enthaltene Kohlenmonoxid zu oxidieren, bevor diese Stoffe in die Atmosphäre gelangen. Für eine wirksame Funktion des thermischen Reaktors 30 ist es erwünscht, dass das Abgas in. den Reaktor mit hohen Temperaturen eingeführt wird. Jeder Auslasskanal an jedem Motorzylinder wird daher vorzugsweise nahe bei dem Auslasskanal 28 im benachbarten oder nächstliegenden Motorzylinder angeordnet, so dass diese beiden Auslasskanäle 28 sich zu einer Passage (in Fig. 1 mit 29 angedeutet) im Zylinderkopf 60 in kurzem Abstand von den Auslassventilen 24 vereinigen. Eine derartige Konfiguration der Auslasskanäle 28 wird gewöhnlich als Zwillingskanäle bezeichnet und hat den Vorteil, dass wegen der verringerten Gesamtfläche der Auslasskanäle 28 (und damit einer verringerten Wärmeübertragung auf den Zylinderkopf 60) ein geringerer Abfall in der Abgastemperatur eintritt. Zusätzlich wird die Wand der Auslasskanäle 28, 29 vorzugsweise mit einer wärmeisolierenden Verkleidung bedeckt.

Der thermische Reaktor 30 ist mit einer Leitung (in Fig. 1 mit 31 bezeichnet) zur Zufuhr von Sekundärluft versehen, um die beabsichtigten Oxxdationsreaktionen zu erhalten. Dies weil das von der Verbrennung eines Lufttreibstoffgemisches nahe dem stöchiometrischen Gemisch erhaltene Abgas wenig Sauerstoff enthält. Wie gewöhnlich wird die Sekundärluft in die Leitung entweder durch eine nicht gezeigte Luftpumpe oder eine nicht gezeigte Ansangeinrichtung, die durch das pulsierende Vakuum im Einlassystem des Motors 10 betätigt wird, eingeführt. Der

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thermische Reaktor 30 in Fig. 1 kann durch einen gewöhnlichen Abgasverteiler in Verbindung mit einem nicht gezeigten katalytisehen wandler ersetzt werden, der an einer Stelle abstromseitig des Abgasverteilers angeordnet wird.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRUNECKER

ΟιΛ. ING

H. KINKELDEY

or-(nci

W. STOCKMAIR

OK -INa ' Am: (CALTcCH

K. SCHUMANN

G. BEZOLD

DRHStW an.O4M

8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRAäSE *3

Patentansprüche

( 1 . / Verbrennungsmotor mit auf- und abgehenden Kolben sowie v..

einem Einlassventil und einem Auslassventil für jede Verbrennungskammer, und mit einer Einrichtung zum Dosieren von Luft- und Treibstoff, die ein Verbrennungsgemisch aus Luft und einem Kohlenwasserstofftreibstoff dem Motor zuführt, gekennzeichnet durch eine Abgasrückführeinrichtung, die einen Teil des Abgeses von der Abgasleitung des Motors jeder Verbrennungskammer (14) zusammen mit dem Verbrennungsgemisch in einer gesteuerten volumetrischen Strömungsrate relativ zum Volumen der in jede Verbrennungskammer eingegebenen Luft rückführt; und

wenigstens zwei Zündkerzen (26A, 26B), die bei jeder Verbrennungskammer im wesentlichen gleichzeitig Zündfunken abgeben; wobei

das Ein- und Auslassventil (22, 24) so ausgebildet und angeordnet

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*^1EPöblGINAL INSPECTED

TBLBPON (QSS) M56M TELEX Οβ-293«Ο TELEQaAUVIE MONAPAT TELEKOPH

sind, dass eine wesentliche Überlappung der Öffnungszeiten von Aus- und Einlassventil vorliegt, so dass ein wesentlicher Teil des Verbrennungsgases unausgestossen in jeder Verbrennungskammer verbleibt; wobei

die Verbrennungskammer zwischen der oberen Stirnfläche (53a) des Kolbens (58) und der unteren Oberfläche (6Oa) von einem Zylinderkopf (60) durch eine Umdrehungsfläche um die Längsachse der Zylinderbohrung gebildet ist;

die Anzahl von Zündkerzen, die wenigstens zwei beträgt, auf der Basis des Gesamtvolumens an rückgeführtem Abgas und nicht ausgestossenem Verbrennungsgas relativ zum Volumen der jeder Verbrennungskammer zugeführten Luft bestimmt wird, wobei die Anzahl gleich zwei ist, wenn das Gesamtvolumen etwa 50% des Luftvolumens im Maximum beträgt und drei ist, wenn das Gesamtvolumen etwa 60% im Maximum beträgt; und

die Elektrodenspalte (27A, 27B) der wenigstens zwei Zündkerzen in jeder Verbrennungskammer unter einem solchen Abstand voneinander angeordnet sind, dass, wenn die Gesamtfläche von jeder Verbrennungskammer bei Draufsicht in eine Vielzahl von Sektoren aufgeteilt wird, deren Anzahl gleich der Anzahl an Zündkerzen ist und die annähernd die gleiche Fläche aufweisen, jeder Sektor einen Elektrodenspalt enthält.
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Oberfläche (60a) des Zylinderkopfes (60) ausgespart ist, so dass die Verbrennungskammer eine im wesentlichen halbkugelförmige Gestalt hat.
3. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Oberfläche (60a) des Zylinderkopfes (60) ausgespart ist, so dass die Verbrennungskammer (14B) im wesentlichen pfannkuchenförmig gestaltet ist.

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4. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Oberfläche (6Oa) des Zylinderkopfes

(60) ausgespart ist, so dass die Verbrennungskammer (14C) eine im wesentlichen badenwannenförmige Gestalt hat.
5. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Stirnfläche (58a) des Kolbens (58) ausgespart ist, so dass die Verbrennungskammer (14D) im wesentlichen die Gestalt Typ Heron hat.
6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Elektrodenspalt (27A, 27B, 27C) im mittleren Bereich von jedem Sektor angeordnet ist.
7. Motor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenspalte (27A, 27B, 27C) bei Draufsicht auf jede Verbrennungskammer (14, 14B, 14C, 14D) sämtlich auf einer ringförmigen Fläche liegen, die zwischen zwei konzentrischen Kreisen mit der Längsachse (57) als Mittelpunkt gebildet ist, wobei die Durchmesser der Kreise 40 bzw. 60% des Durchmessers der Zylinderbohrung betragen.
8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verbrennungskammer (14, 14B, 14C, 14D) ein Volumen im Bereich von 25 bis j

Totpunkt des Kolbens (58) hat.

Volumen im Bereich von 25 bis 85 cm (25 bis 85 ml) am oberen
9. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Überlappung der Öffnungszeiten von Auslassventil (24) und Einlassventil (22) im Bereich von etwa 20 bis etwa 60°,ausgedrückt anhand des Kurbelwinkels, liegt.
10. Motor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass der Wirkdurchmesser des Ventilkopfes des Einlassventiles (22) im Bereich von 42 bis 52 % des

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Durchmessers der Zylinderbohrung und der Wirkdurchmesser des Ventilkopfes des Auslassventiles (24) im Bereich von 40 bis 50% des Durchmessers der Zylinderbohrung liegt.
11. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Luft und den Treibstoff dosierende Einrichtung (12)so eingestellt wird, dass das in jeder Verbrennungskammer (14, 14B, 14C, 14D) vorliegende Lufttreibstoffverhältnis im Bereich von 13 bis 16,5 im Mittel liegt, wenn der Kohlenwassertreibstoff Benzin ist.
12. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (20) für jede Verbrennungskammer (14, 14B, 14C, 14D) so angeordnet ist, dass er eine Verwirbelung des Verbrennungsgemisches und des in die Verbrennungskammer rückgeführten Abgases hervorruft.
13. Verbrennungsmotor mit auf- und abgehenden Kolben und einem Einlassventil und einem Auslassventil für jede Verbrennungskammer, dadurch gekennzeichnet , dass die Verbrennungskammer zwischen der oberen Stirnfläche (58a) des Kolbens (58) und der unteren Fläche (60a) eines Zylinderkopfes (60) durch eine Umdrehungsfläche um die Längsachse (57) der Zylinderbohrung gebildet ist;

dass eine die Luft und den Treibstoff dosierende Einrichtung (12) vorgesehen ist, die ein Verbrennungsgemisch aus Luft und Benzin dem Motor zuführt;

dass eine Abgasrückführeinrichtung vorgesehen ist, die einen Teil des Abgases von der Abgasleitung des Motors zu jeder Verbrennungskammer zusammen mit dem Verbrennungsgemisch mit einer gesteuerten volumetrischen Strömungsrate relativ zum Volumen der in jede Verbrennungskammer eingegebenen Luft rückführt; und

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dass drei Zündkerzen (27A, 27B, 27C) vorgesehen sind, die in jeder Verbrennungskanuner im wesentlichen gleichzeitig Zündfunken erzeugen, wobei die Elektrodenspalten (27A, 27B, 27C) der drei Zündkerzen in jeder Verbrennungskammer unter einem derartigen Abstand voneinander liegen, dass, wenn die Gesamtfläche der Verbrennungskammer bei Draufsicht in drei Sektoren von annähernd gleicher Fläche aufgeteilt wird, jeder Sektor in seinen mittleren Bereich einen Elektrodenspalt enthält, wobei

das Ein- und Auslassventil (22, 24) so ausgebildet und angeordnet sind, dass eine Überlappung der Öffnungszeiten von Auslassventil und Einlassventil im Bereich von etwa 20 bis 60°,ausgedrückt anhand des Kurbelwinkels, stattfindet, so dass ein wesentlicher Teil des Verbrennungsgases unausgestossen in jeder Verbrennungskammer verbleibt, wobei das Gesamtvolumen an rückgeführtem Abgas und nicht ausgestossenem Verbrennungsgas auf einen Bereich von O bis 60% des Volumens der jeder Verbrennungskanuner zugeführten Luft entsprechend dem Betriebszustand des Motors gesteuert wird und die Dosiereinrichtung für das Lufttreibstoffgemisch so eingestellt wird, dass das LufttreibstoffVerhältnis in jeder Verbrennungskammer im Bereich von 13 bis 16,5 im Mittel liegt.
14. Motor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Oberfläche (60a ) des Zylinderkopfes (60) ausgespart ist, so dass die Verbrennungskanuner (14) eine im wesentlichen halbkugelförmige Gestalt hat.
15. Motor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenspalte (27A, 27B, 27C) sämtlich bei Draufsicht auf jede Verbrennungskammer auf einer ringförmigen Fläche (B) liegen, die zwischen zwei konzentrischen Kreisen mit der Längsachse (57) als Mittelpunkt gebildet ist, wobei der Durchmesser der Kreise 40 bzw. 60% des Durchmessers der Zylinderbohrung beträgt.

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