DE2921997A1

DE2921997A1 - Verfahren zum betrieb einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2921997A1
Application number: DE19792921997
Authority: DE
Inventors: Melvin D Helmich; Melvin C Hoagland; Robert L Hubbard; Fred S Schaub
Original assignee: Cooper Industries LLC
Current assignee: Cameron International Corp
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1979-05-30
Publication date: 1979-12-13
Also published as: US4306526A; FR2427473B1; GB2024318B; BR7903409A; GB2024318A; CA1128824A; AR219979A1; JPS54156911A; DE2921997C2; FR2427473A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren zur Verringerung der Abgasemission von Zweitakt-Brennkraftmaschinen und insbesondere auf ein Verfahren zur Verringerung der Stickstoffοxyd- und Stickstoffdixoyd-Emission von turbogeladenen, mit Erdgas betriebenen Zweitakt-Brennkraftmaschinen .
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Zweitakt-Brennkraftmaschinen mit großem Hubraum haben viele Anwendungsfälle/ in denen eine geringe Drehzahl und eine große Leistung stationär bzw. bei Großanlagen erförderlich ist. Solche Maschinen werden häufig zur Energieversorgung von Kompressoren an Erdgasleitungen, in Diesellokomotiven oder auf Schiffen verwendet. Bei diesen verschiedenen Anwendungsfällen wird die Maschine oft mit dem am leichtesten verfügbaren bzw. billigsten Brennstoff betrieben. Ein an einer Fernrohrleitung installierter Kompressoer arbeitet normalerweise mit Erdgas, während eine Lokomotiven- bzw. Schiffsmaschine normalerweise mit Dieselbrennstoff arbeitet. Die Brennstoffanpaßbarkeit solcher Maschinen ist ein Anzeichen für den hohen Entwicklungsstand dieser Maschinen in anderen Bereichen.

Die Konstruktion und Entwicklung von Zweitaktmaschinen richtet sich auf zahlreiche Eigenschaften und Betriebsparameter dieser Maschinen. Dabei wurde vor allem versucht, die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad solcher Maschinen zu verbessern. So wurde versucht, die vollständige Ableitung von Verbrennungsprodukten aus der Brennkammer sicherzustellen, um ein maximales Volumen an Frischluft und Brennstoff zuführen zu können. Diese Ableitung hängt von der Lage und Größe der Ein- und Auslaßöffnungen ebenso wie von der Form der Kolbenkrone ab. Die US-PS 2 706 971 bezieht sich auf diese Überlegungen und Verbesserungen hierfür.

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Ein weiterer Entwicklungsbereich ergibt sich bei den Verbrennungseigenschaften einer Maschine bei niedrigen Lasten und geringen Drehzahlen. Das Luft/Brennstoff-Verhältnis einer mit geringer Last arbeitenden Maschine ist hoch/ d.h., daß das Gemisch mager ist. Bei den meisten Maschinen führt dies zu Verbrennungsschwierigkeiten, da nur sehr gut gemischte Gasluftvolumina zünden und zu einer richtigen Verbrennung führen. Dieses Problem tritt vor allem auf, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis zunimmt. Bei üblichen Maschinen mit geringem Hubraum verringern sich wegen der relativ kompakten Abmessungen der Brennkammer die Schwierigkeiten bei der vollständigen Mischung magerer Verbrennungsgemische, da die Luft und das Gas in dem kleinen Volumen der Brennkammer relativ leicht gleichmäßig verteilt werden.

Bei Brennkraftmaschinen mit großem Hubraum, die eine Verdrängung von etwa O_#1133 m haben, führt die Luft/Brennstoff-Mischung bei hohen Luft/Brennstoff-Verhältnissen zu einem schwierigen Problem. Dieses Problem ergibt sich durch eine unvollständige Verbrennung eine erhöhte Emission von unverbranntem Kohlenwasserstoff und einen ungleichmäßigen Betrieb der Maschine. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich bei Kompressoren für Gasfemleitungen durch die absolute Notwendigkeit, solche Kompressoren mit konstanter Geschwindigkeit zu betreiben. Die US-PS 2 723 ist auf das Problem von mit Erdgas betriebenen Brennkraftmaschinen bei geringer Last gerichtet.

Die US-PS 2 799 255 zeigt eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einer Zündvorkammer. Eine kleine Vorkammer bzw. eine zweite Brennkammer ist mit der Hauptbrennkammer verbunden und wird unabhängig mit einem fetten Brennstoffgemisch versorgt, das durch eine Zündkerze gezündet wird, die von der Zündsteueranlage der Maschine gesteuert wird. Die heißen Gase der Vorkammer zünden das magere Gemisch der Hauptbrennkammer zuverlässig und vollständig.

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Weitere Entwicklungsbereiche beziehen sich auf die Wirtschaftlichkeit und andere Tendenzen bei solchen Maschinen. 1965, als Erdgas reichlich vorhanden, preiskontrolliert und daher billig war, zeigte die US-PS 3 187 728 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung einer Dieselmaschine zum Betrieb mit Erdgas. 1978 führte die Knappheit und der erwartete Kostenanstieg von Erdgas zur Entwicklung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Umwandlung einer mit Erdgas betriebenen Maschine in eine solche für Dieselbrennstoff. Die US-PS 4 091 772 zeigt eine derartige Anordnung.

Ein untersuchter Bereich des Betriebs einer Zweitakt-Maschine mit großem Hubraum ist die Abgasemission. Die Verbrennung von Erdgas, das hauptsächlich aus Methan, Äthan besteht, führt theoretisch zu Kohlendixyd, Kohlenmonoxyd und Wasser. Da jedoch Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff nicht die einzigen Elemente sind, die während der Verbrennung vorhanden sind, ist diese theoretische Überlegung nicht vollkommen richtig. Stickstoff, das etwa 80 % der Atmosphäre bildet, ist ebenfalls vorhanden und wird von dem Verbrennungsprozeß beeinflußt. Stickstoff ist in der Atmosphäre in zweiatomiger molekularer Form vorhanden. Da Stickstoff zusammen mit Sauerstoff in die Brennkammer gelangt, ist es während des Verbrennungsprozesses vorhanden. Die N₂~Moleküle, die durch die Verbrennung erhitzt werden, dissoziieren und vereinigen sich mit Sauerstoff zu Stickstoffoxyd und Stickstoffkioxyd. Diese beiden Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen vereinigen sich zu N0„. Die Stickstoff mitführenden Abgasbestandteile

sind für die Atmosphäre und lebende Organismen schädlich, und man versuchte daher, diese zu verringern und zu beseitigen.

Eine zweite Gruppe von Abgasbestandteilen, die zu verringern versucht wurde, sind diejenigen Produkte, die bei einer unvollständigen Verbrennung entstehen, wie unverbrannter

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Kohlenwasserstoff und Kohlenstoffmonoxyd. Diese Abgasbestandteile ergeben sich aufgrund einer unvollständigen Verbrennung infolge einer unvollständigen Luft/Brennstoff-Mischung und fetter Brennstoff-Luftgeinische.

Zunehmend verschärfte Abgasvorsehriften leiteten eine die Entwicklung von Maschinen und Betriebsarten ein, die eine verringerte Kohlenwasserstoff- und Stickstoffemission ergeben .

Eine diesbezügliche Untersuchung ist in der Veröffentlichung 71-WA/DGP-2 der American Society of Mechanical Engineers beschrieben. Diese Veröffentlichung aus dem

Jahr 1971 beschäftigt sich mit der Verringerung der NO-

,x

Emission bei Diesel- und Erdgasmaschinen mit großem Hubraum. Die Betriebsparameter wurden dabei geändert, um einen großen Bereich von Betriebsbedingungen zu simulieren. Es wurde festgestellt, daß die NO -Bildung von den Rohrleitungstemperaturen und dem Luftladedruck abhängt. Eine Verringerung der NO -Bildung bei Zunahme der Maschinengeschwindigkeit wurde ebenfalls festgestellt und auf die verringerte Verweilzeit des Stickstoffgases in der Brennkammer bei erhöhter Temperatur, bei der der Stickstoff dissoziieren kann, zurückgeführt.

Die erwähnte Verringerung der NO- und Kohlenwasserstoff-Emission bei hohem Druck, hoher Temperatur und hohen Drehzahlen erfordert weitere Untersuchungen. Bestimmte Betriebsdaten wurden aufgezeichnet, die den zuvor beschriebenen allgemeinen Trend genau entgegenlaufen. Die logische Schlußfolgerung war, daß bestimmte unbekannte Parameter oder Wechselwirkungen der Parameter die Emission der Maschine in einer bisher unbekannten Weise beeinflussen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbrennung von Erdgas in einer turbogeladenen Zweitaktmaschine. Die Maschine hat eine Zusatzbrennkammer und eine Hochdruck-

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turboladung, um eine höhere Leistung in dem Last- und Drehzahlbereich ebenso wie eine verringerte NO -Emission

(Stickstoffoxyd- und Stickstoffdioxydabgasemission) zu ergeben. Eine übliche Brennkraftmaschine mit einer Zusatzbrennkammer hat einen Turbolader, der für eine optimale Leistung bei einem Druck, der über dem bei turbogeladenen Maschinen üblichen liegt, spezielle konstruiiert ist.

Bei allen Betriebsbedingungen, selbst bei Vollast, arbeitet die Maschine der Erfindung mit einem mageren Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Hauptbrennkammer. Ein Luft/Brennstoff-Gewichtsverhältnis von 20,3 : 1 ist typisch und kann sich von 18.2 : 1 bis 22,4 : 1 ändern. Ein mageres Luft/ Brennstoff-Gemisch ist im allgemeinen schwerer zu verbrennen als ein Luft/Brennstoff-Gemisch, das dem stoichiometrischen Gewichtsverhältnis von 14:1 relativ naheliegt. Daraus folgt, daß, da das Luft/Brennstoff-Gemisch bei geringer Last zunehmend magerer wird, eine zufriedenstellende Verbrennung zunehmend schwieriger erreicht werden kann. Die Zusatzbrennkammer soll die Leistung der Maschine insbesondere bei geringer Last verbessern. Die Zusatzbrennkammer ist am Zylinderkopf angeordnet und hat eine Zündkerze und ein Brennstoffdruckventil, das die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff in die Zusatzbrennkammer steuert. Da der Druck in dem Zylinder nahe dem Ende des Ausströmhubs abnimmt, öffnet das Druckventil und ermöglicht die Zufuhr einer neuen Gasladung in die Zusatzbrennkammer. Das Volumen der Zusatzbrennkammer beträgt etwa 2 % des Totraums des Zylinders. Ein übliches, nockengesteuertes Hauptbrennstoffventil führt den Brennstoff in die Hauptbrennkammer. Eine zeitlich gesteuerte Zündkerze zündet das relativ fette Luft/Brennstoff-Gemisch in der Zusatzbrennkammer, und die heißen Gase, die aus der Zusatzbrennkammer austreten, haben eine ausreichende Energie, um eine vollständige Verbrennung des mehr mageren Gemische in der Hauptbrennkammer einzuleiten und aufrecht zu erhalten.

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Die Zusatzbrennkaimer begünstigt somit eine vollständige und zuverlässige Verbrennung der Hauptbrennkammerladung, die magerer als eine übliche Ladung und erheblich magerer als bei einer mit geringer Last arbeitenden Maschine ist.

Der Turbolader stellt ein richtig bemessenes mageres Luft/Brennstoff-Gemisch in dem gesamten Last- und Drehzahlbereich sicher. Die Ladedrücke im Mittel etwa 50 % über den üblicher turbogeladener Erdgas-Brennkaftmaschinen. Einzelheiten der Turboladerkonstruktion werden später beschrieben. Der Turbolader muß, da er den Betriebsdruck des ganzen Luftsystems erhöht, mit höchstem Wirkungsgrad bei Kompressions- und Expansionsdrücken wesentlich über denen üblicher Turbolader arbeiten.

Obwohl der Mechanismus der NO -Bildung nicht vollständig

geklärt ist, ergibt sich ein Zusammenhang aus der proportionalen Beziehung zwischen der Verbrennungstemperatur und der Brennkammer-Verweilzeit. Eine erhöhte Verbrennungszeit und insbesondere eine erhöhte Temperatur begünstigen die Dissoziation von zweiatomigem N~ und die Bildung von Stickstoffoxyd und Stickstoffdioxyd. Eine Verringerung der Verbrennungstemperatur und der Verweilzeit durch Anwendung höherer Brennkammer-Ladedrücke und höherer Luft-Brennstoff-Verhältnisse wird angestrebt.

Die hier beschriebenen Arbeitsverfahren führen zu einer mittleren NO -Emissionsverringerung von etwa 68 % auf der Grundlage von 1 g pro PS-Stunde und von 72 % auf der Grundlage von Teilen pro Million.

Diese wesentliche Emissionsverringerung wäre nicht bemerkenswert, wenn sie von einer gleichzeitigen wesentlichen Erhöhung des Brennstoffverbrauchs begleitet wäre. Dies bedeutet, daß im Hinblick auf eine Brennstoffeinsparung und verringerte Emission ein Verbrennungsverfahren,

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bei dem nur der Hricrgicwirkungsgrad gegen eine geringere Emission ausgetauscht ist, von geringer Bedeutung wäre. Die Daten der beigefügter. Tabelle I zeigen, daß der mittlere spezifische Brennstoffverbrauch (BSFC) der Maschine der Erfindung um einen unwesentlichen Betrag (etwa 2 %) zunimmt.

Der bevorzugte Brennstoff zum Betrieb der Maschine ist Erdgas. Da das magere Luft/Erdgas-Brennstoffgemisch wesentlich unter seinem Zündpunkt arbeitet, ist das Arbeitsverfahren auch auf die Verwendung paraffiner Kohlenwasserstoffe mit niedriger Oktanzahl wie Propan, Butan und Pentan anwendbar.

Obwohl die Erfindung anhand einer Zweitakt-Brennkraftmaschine beschrieben wird, ist sie auch auf eine Viertaktmaschine anwendbar.

Durch die Erfindung wird somit die Aufgabe gelöst, ein Verfahren zum Betrieb einer turbogeladenen, mit Erdgas betriebenen Zwei- oder Viertakt-Brennkraftmaschine, die mit hohem Druck arbeitet und zur Zündung eine Zusatzbrennkammer aufweist, zu schaffen, die eine wesentlich verringerte NO -Emission ohne Wirkungsgradverlust bzw. vernachlässigbar erhöhtem Brennstoffverbrauch hat.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 7 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer turbogeladenen Zweitakt-Brennkraftmaschine längs der Linie I-I in Fig. 4,

Figur 2 vergrößert· einen Schnitt der Zündeinrichtung längs der Linie II-II in Fig. 3,

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Figur 3 t-ίπ»· f\uvsic-V ö.r J^ndeinrichtung längs der Linie IiI-I Π ir Fig. 1,

Figur 4 eine Aufsicht eines Zylinderkopfes der Maschine,

Figur 5 ein Ablaufdiagramm, aus dem der zeitliche Ablauf verschiedener Verbrennungsfunktionen der Maschine hervorgeht,

Figur 6 ein Diagramm, aus dem das Luftzylindervolumen in Abhängigkeit vom Zylinderdruck bei einer üblichen Maschine und der der Erfindung hervorgeht, und

Figur 7 ein Diagramm, aus dem die Konstantwirkungsgradkurven für übliche Turbolader rund den bei der Erfindung verwendeten hervorgehen.

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Fig. 1 zeigt eine Maschine 10 π it niedriger NO -Emission. Nachfolgend wird der Aufbau und die Funktion eines einzelnen Zylinders erläutert; die Maschine kann selbstverständlich einen, zwei, acht, zwölf und mehr Zylinder haben.

Die Maschine 10 hat einen Zylinder 11, der an einem Maschinenblock (nicht gezeigt) am einen Ende befestigt ist und am anderen in einem Zylinderkopf 12 endet. Der Zylinderkopf 12 ist am Zylinder 11 durch Bolzen 13 (Fig. 4) befestigt. Im Zylinder 11 ist ein Kolben 15 verschiebbar angeordnet, der mehrere Kolbenringe 16 hat, die in Umfangsnuten 17 in der Seitenwand des Kolbens 15 gehalten sind. Der Zylinder 11, der Zylinderkopf 12 und der Kolben 15 bilden zusammen eine Brennkammer 18, und die Kolbenringe 16 verhindern den Austritt verschiedener Gase in der Brennkammer 18 während des Betriebs'der Maschine 10. Der Zylinder 15 hat außerdem einen horizontal angeordneten Anlenkbolzen 19, an dem eine Kurbelarm 20 schwenkbar befestigt ist. Das gegenüberliegende Ende des Kurbelarms 20 ist an der Kurbelwelle (nicht gezeigt) der Maschine schwenkbar befestigt und überträgt in üblicher Weise Kraft von der Brennkammer 18 und dem Kolben 15 zur Kurbelwelle.

Das Kompressionsverhältnis der Maschine 10 ist vorzugsweise 8:1. Wie später im einzelnen anhand der Arbeitsweise erläutert wird, ermöglicht es die allgemeine Unempfindlichkeit der Maschine 10 gegenüber einer Frühzündung der Luft/Brennstoff-Ladung in der Brennkammer 18, höhere Kompressionsverhältnisse bis zu 11 : 1 bei gleichzeitiger Verbesserung des Wärmewirkungsgrades anzuwenden. Das erwähnte Kompressionsverhältnis von 8 : 1 kann bis auf 4 : 1 verwendet werden, sollten es die Brennstoffeigenschaften oder die Betriebsbedingungen erfordern.

Der Zylinder 11 und der Zylinderkopf 12 haben verbundene Kanäle 22, die mit Wasser gefüllt sind und einen Kühlwassermantel bilden, um die durch den Betrieb der Maschine 10 erzeugte Wärme abzuführen. Ein Einlaßstutzen 23 und ein Aus-

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laßstutzen 2 4 führen den Kam. it-n 22, die den Viassermantel dtr Maschine 10 bilden, zu bzw. aus diesen ab.

Die Maschine 10 hat ein Turboladerluftsystem. Atmosphärische Luft tritt in einen Einlaßkanal 30 ein und wird von einem Kompressor 31 komprimiert. Der Auslaßdruck des Kompressors 31 ist eine Funktion der momentanen Betriebsbedingungen der Maschine 10. Der Auslaßdruck liegt im allgemeinen zwischen 380 und 760 mm Quecksilbersäule, was vergleichbare Betriebsbedingungen ergibt, und ist 45 bis 50 % höher als der Einlaßdruck einer üblichen Maschine mit Turbolader. Vom Kompressor 31 gelangt die komprimierte Luft zu einem üblichen Nachkühler 32, in dem die Temperatur der Luft verringert wird. Die gekühlte, komprimierte Luft gelangt dann über einen Einlaßkanal 33 in den Zylinder 11. Der Zylinder 11 hat Einlaßöffnungen 34, die mit dem Kanal 33 verbunden sind und die Luft in die Brennkammer 18 eintreten lassen, wenn der Kolben 15 die öffnung 34 aufgrund seiner Hin- und Herbewegung im Zylinder 11 geöffnet hat.

Der Zylinder 11 hat Auslaßöffnungen 35, die durch den hin- und herlaufenden Kanal des Kolbens 15 geöffnet und geschlossen werden. Die Auslaßöffnungen 35 sind mit einem Auslaßrohr 36 verbunden, das die Abgase der Brennkammer 18 zur Einlaßseite einer Expansionsturbine 37 führt. Die Abgase expandieren, treiben die Turbine 37 an und werden über einen Auslaßkanal 38 zur Atmosphäre abgeleitet. Die Expansionsturbine 37 ist in üblicher Weise auf einer gemeinsamen Welle 39 zusammen mit dem Kompressor 31 angeordnet und überträgt Kraft auf diesen, um die Kompression der Einlaßluft zu bewirken.

Entsprechend der üblichen Turboladerpraxis können das Auslaßrohr 36 und die Expansionsturbine 37 eine Druckluft-Zusatzeinrichtung (nicht gezeigt) haben, die während des Anlassens der Maschine 10 verwendet wird. Die Druckluft-Zusatzeinrichtung führt dem Einlaß der Turbine 37 Druckluft

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zu, die die Vurbint 3 7 und die Kcnpressorturbine 31 dreht, die wiederum Frischluft für die Maschine 10 komprimiert.

Die Lsetriebsparamettr der Turboladeranordnung werden im einzelnen bei dtr Beschreibung der Arbeitsweise erläutert. Verschiedene Dauerzustands-Betriebsparameter sind in der Tabelle 1 angegeben, anhand der der Betrieb einer üblichen großbohrigen, mit Erdgas arbeitenden Maschine und der erfindungsgemäßen Maschine mit niedriger NO -Emission verglichen werden kann.

Die Maschine 10 wird vorzugsweise mit Erdgas betrieben und eine Brennstoffleitung 40 führt der Maschine Gas mit etwa 7,00 Kg/cm zu. Die Maschine 10 arbeitet mit zwei Druckregulatoren 41 und 42. Der Regulator 41 stellt den Druck des der Hauptbrennkammer 18 zugeführten gasförmigen Brennstoffes proportional der Geschwindigkeit der Maschine 10 ein.

Der Druckeinstellbereich des Regulators 41 reicht von

ο
bis 2, 1-6,3 kg/cm",was der Leerlaufdrehzahl bis zum maximalen Drehzahl entspricht. Vorrichtungen wie der Regulator 41 sind üblicherweise mit dem Drehzahlregler (nicht gezeigt) gekuppelt und stellen den Gasdruck in bei Brennkraftmaschinen bekannter Weise mechanisch ein.

Eine Gasleitung 43 führt den gasförmigen Brennstoff von dem Regulator 41 zu der Hauptbrennstoff-Einlaßventilanordnung 45. Die Ventilanordnung 45 besteht aus einem etwa zylindrischen Gehäuse 46, das eine relativ breite, konzentrische Kammer 47 bildet, die mit der Gasleitung 43 über einen radialen Kanal 48 verbunden ist. Das Gehäuse 46 hat außerdem einen kleineren, koaxialen Kanal 49, durch den der Stößel eines Ventils 51 verläuft. Das Ventil 51 ist in dem Kanal 49 dicht und verschiebbar angeordnet. Das Ventil 51 hat einen Ventilkopf 52 mit abgeschrägten Flächen üblicher Ausbildung, die an einem komplementär abgeschrägten Sitz 53 im Zylinderkopf 12 anliegen. Der Stößel 50 des Ventils 51

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erstreckt sich durch das Gehäuse 46 nach außen und liegt an einem üblichen Kipphebel 55 an. Zwischen im wesentlichen parallelen Flächen des Kipphebels 55 und dem Gehäuse 46 ist eine in üblicher Weise arbeitende Rückholfeder angeordnet. Der Kipphebel 55 ist um einen festen Zapfen 57 schwenkbar gelagert und wird von einer Verbindungsstange 58 durch eine Nockenscheibe 59 angetrieben. Die Nockenscheibe 59 ist mit der Kurbelwelle (nicht gezeigt) der Maschine 10 antriebsmäßig verbunden, arbeitet synchron mit dieser und öffnet und schließt das Ventil 51 in zeitlicher Beziehung zur Drehung der Kurbelwelle und der Hin- und Herbewegung des Kolbens 15. Die Rückholfeder 56 bringt den Kipphebel 55 in die in Fig. 1 gezeigte Ruhestellung zurück, die mit dem flachen Bereich der Nockenscheibe übereinstimmt. Eine Feder (nicht gezeigt) um den Stößel

50 schließt das Ventil 51, wenn der Kipphebel 55 in der Ruhestellung ist.

Die Zeitsteuerung der Ventilanordnung 45, d.h. das Öffnen und Schließen des Ventils 51 in Beziehung zur Drehung der Kurbelwelle und zur Lage des Kolbens 15 ist in Fig. 5 gezeigt und wird bei der Erläuterung der Arbeitsweise näher beschrieben. Das Öffnen und Schließen des Ventils

51 erfolgt etwa 10 bis 15° später als das öffnen und Schließen eines Brennstoffventils in einer üblichen Zweitaktmaschine.

Anhand der Fig. 4 ist die Lage der Elemente des Zylinderkopfes 12 ersichtlich. Der Zylinderkopf 12 ist am Zylinder 11 durch Bolzen 13 befestigt. Das Einlaßrohr 33 und das Auslaßrohr 36 sind links und rechts vom Zylinder 11 sichtbar. Unter einem Winkel von etwa 45° von den diametralen Linie aus, die das Einlaß- und Auslaßrohr 33 und 36 winkelhalbiert, ist das Ventilgehäuse 46 angeordnet, übereinstimmend mit der diametralen Linie, die das Einlaß- und Auslaßrohr 33 und 36 verbindet, ist eine Zündeinrichtung 60 angeordnet.

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Die Gaslc-i Lur.y 4O in Fig. ' ί. ^:ihrt auch den zweiten Regulator 42 gasförmiger. i3rer.riöi of f zu. Der Regulator 42 stellt den Druck des der Zündeinrichtung 60 zugeführten Brennstoffes entsprechend der Geschwindigkeit der Maschine 10 und dem Druck im Einlaßrohr 33 ein. Der abgegebene Gasdruck des Regulators liegt typischerweise zwischen

1,05 k^/cnfund 2,1 kg/cm". Der Regulator arbeitet ent-

4 M + S

sprechend der Gleichung P = = - K, wobei P der abgegebene Gasdruck in der Gasleitung 44, M der Druck im Einlaßrohr 33, S ein Luftgeschwindigkeitssignal im Be?-

2 2

rfc-ich von 0,2 1 kg/cm bis 1,05 kg/cm ist, der der Maschinengeschwindigkeit proportional ist, und K eine Korrekturkonstante vorzugsweise mit einem Wert von 13 bis ist. Erhöhte Werte von K senken den Gasdruck in der Leitung 44 und umgekehrt. Der Regulator 42 kann irgendeine mechanische oder elektrische analoge Steuervorrichtung sein, die in bei Brennkraftmaschinen üblicher Weise arbeitet.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, besteht die Zündeinrichtung

60 aus einem langgestreckten Zylinder 61, der sich von außen in den Zylinderkopf 12 durch den Kanal 22 des Wassermantels in die Brennkammer 18 erstreckt. Der Zylinder

61 ist am Zylinderkopf 12 durch einen etwa dreieckigen Flansch 62 gehalten, der wiederum am Zylinder 12 durch Schrauben 63 befestigt«ist. Ein O-Dichtungsring 64 ist in einer Umfangsnut 65 in der Außenwand des Zylinders 61 angeordnet. Die Umfangsnut 65 ist axial derart angeordnet, daß der Dichtungsring 64 die Außenwand des Zylinders 12 berührt und den Wasserkanal 22 abdichtet. Die Zündeinrichtung 60 hat außerdem einen Einlaßstutzen 66, der die Gasleitung 44 des Regulators 42 hält. Die an der Zündeinrichtung 60 durch den Einlaßstutzen 66 gehaltene Gasleitung 44 ist mit einem axialen Kanal 67 verbunden. Der Kanal 6 7 endet in einem kleinen Hohlraum 68, der ein Ringventil 69 und eine Feder 70 enthält. Das Ventil 69 liegt an dem Kanal 67 aufgrund der Federkraft der Feder 70 an und schließt diesen ab. Die Federkonstante

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ORlGiHAL iW'GPt-.TT?

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und damit die Spannung dt-r f-'eder 7ü sind so gewählt, daß das Ventil 69 aufgrund der Kraft der Feder 70 aufsitzt, wenn der Gasdruck im Kanal 6 7 des zugewandten Bereichs der Ventilschteibe des Ventils 69 geringer als der Gasdruck an der gegenüberliegenden Seite der Ventilscheibe plus der Kraft der Feder 10 ist. Die Ventilscheibe hebt gegen den Kanal 6 7 ab und läßt Gas in den Hohlraum 68, wenn die Kraft, die bestrebt ist, sie von dem Kanal 67 aufgrund des Gasdruckes im Kanal 67 und des zugewandten Bereichs der Ventilscheibe wegzubewegen, größer ist als die Kraft der Feder 70 plus dem Druck des Gases im Hohlraum 6 8 an dem zugewandten Bereich der Ventilscheibe. Der Zylinder 61 bildet außerdem einen axialen Kanal 71, der zum Kanal 67 koaxial ist und dazu dient, das Gas aus dem Hohlraum 68 in eine Brennkammer 72 zu leiten. Die Brennkammer 72 ist konisch und verjügt sich zu einer versetzten Öffnung 73, die mit der Brennkammer 18 verbunden ist. Die Öffnung 73 ist vorzugsweise zur axialen und radialen Mitte des Totraums der Brennkammer 18 schräg verlaufend. Die Zündeinrichtung 60 hat außerdem eine Zündkerze 75 üblicher Ausbildung, die in eine öffnung des Zylinders 61 geschraubt ist. Die Zündkerze 75 ist mit einer Hochspannungsleitung 77 eines nicht gezeigten Zündsystems üblicher Ausbildung verbunden, das einen zeitlich gesteuerten Impuls hoher Spannung synchron zur Lage des Kolbens 15 liefert, der ausreichend stark ist, um das Gas/Luft-Gemisch in der Zündbrennkammer 72 zu zünden.

Die Gesamte Energie der Zündeinrichtung 60 muß ausreichend sein, um die Ladung des gasförmigen Brennstoffs und der Luft in der Hauptbrennkammer 18 gleichmäßig zu zünden. Das Volumen der Brennkammer 72 ist der wichtigste, die Gesamtenergieabgabe beeinflussende Parameter. Dies ist auf die offensichtliche Beziehung zwischen dem Ladevolumen und der Energieabgabe und einer weniger offensichtlichen

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2v.'ischt_-i. üi.-.iA LufVv.ili^eri und der Betriebs temperatur zurückzuiühren. Wenn ·.'. 10 Volumen der Brennkammer 72 zunimmt, erhöht «ich ihre Rt-'.r Lebstemperatur infolge der höheren Verbrennungsentrgit- der enthaltenen Ladung und der geringeren Wärmeübertragungsfläche pro Einheit des Brennkanunervoluir.ens. Innerhalb von Grenzen ist dies von Vorteil, da diese Eigenschaft an die Eigenschaften des Luft/Brennstoff-Gemischs und insbesondere die Zündtemperatur des Brennstoffs derart angepaßt werden kann, daß die Dauerzustands-Betriebstemperatur der Wände der Brennkammer 7 2 etwas unter der Zündtemperatur des Luft/Brennstof f-Gemischs liegt.

Eine neue Luft/Brennstoff-Ladung wird somit von den Wänden der Kammer 72 auf eine Temperatur etwas unter ihrem Zündpunkt erwärmt. Die Zündkerze 75 zündet das Gemisch in der Brennkammer 72 und die Flairanenausbreitung und Verbrennung erfolgen aufgrund von Vorreaktionszuständen nahezu sofort.

Obwohl verschiedene gasförmige Brennstoffe mit unterschiedlichen Oktanzahlen und unterschiedlichen Luft/Brennstoff-Verhältnissen unterschiedliche Zündtemperaturen haben und die optimale Zündung und Flammenausbreitung sich aus unterschiedlichen Brennkammervolumina der Zündeinrichtung und Dauerzustands-Betriebstemperaturen ergeben, wird für Erdgas mit einem Luft/Brennstoff-Gewichtsverhältnis von etwa 13 : 1 ein Kammervolumen von etwa 1,8 % des Totraums der Hauptbrennkammer 18 vorgezogen.

Das Volumen der Brennkammer 72 als Prozentsatz des Totraums der Hauptbrennkammer 18 kann von etwas weniger als 1,4 bis etwas über 2,2 schwanken.

Die Fig. 3 zeigt den etwa dreieckigen Flansch und die Schrauben 63, die den Zylinder 61 am Zylinderkopf 12 halten. Die Zündkerze 75 und die Hochspannungsleitung 77 sind ebenfalls sichtbar. Der Einlaßstutzen 66 ist an dem

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Zylinder 0 1 durch einen rechttckigen Flansch 78 gehalten, der wiederum an Zylinder durch Schrauben 79 befestigt ist.

Arbeitsweise

Die erhebliche Verringerung der NO- und NO^-Emission der großbohrigen, turbogeladenen Maschine der Erfindung ist auf einige konstruktive Änderungen und betriebsmäßige Kompromisse zurückzuführen. Das Entstehen von

NO -Emissionen hängt von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis x

ab. Je höher dieses Verhältnis ist, desto niedriger ist die NO -Emission. Obwohl der Mechanismus der NO_v-Bildung

Λ* Λ.

nicht vollständig geklärt ist, ist bekannt, daß ein armes Gemisch mit einer etwas kontrollierteren Geschwindigkeit und einer geringeren Temperatur als ein übliches, reicheres Gemisch brennt. Die niedrigere Verbrennungstemperatur verhindert die Dissoziation der zweiatomigen Stickstoffmoleküle, die ebenfalls in der Brennkammer vorhanden sind, und verringert dadurch die NO -Bestandteile des Abgases.

Nach dem Verfahren der Erfindung wird dieses magere Luft/ Brennstoff-Verhältnis von den Turboladerelementen 30 bis 39 bewirkt, die den Betriebsdruck des Verbrennungssystems um etwa 45 % über das einer üblichen turbogeladenen Maschine erhöht.

Eine unter den zuvor beschriebenen allgemeinen und den speziellen Bedingungen in Tabelle 1 arbeitende Maschine mit einer Zündanordnung mit einer oder mehreren Zündkerzen hat eine unregelmäßige Verbrennung und Leistungsabgabe. Die Zündeinrichtung 60 schafft eine ausreichende Energie, um eine magere Luft/Brennstoff-Ladung in der Brennkammer 18 gleichmäßig und vollständig zu verbrennen.

Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm, das die Folge der Vorgänge in der turbogeladenen Zweitaktmaschine 10 zeigt. Die Bezugsziffern beziehen sich auf die Drehlage der Kurbelwelle in Grad, beginnend in der oberen Totpunktmitte (TDC)

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und im Uhrzeigersinn um das Kreisdiagramm umlaufend. Angegebene Kurbelwellenzeitpunkt sind vorzugsweise Werte; sie sind keine absoluten Zeitpunkte, da verschiedene Brennstoffe, Kompressionsverhältnisse, Zündzeitpunkte, Leitungsdrücke und Störfaktoren eine andere Einstellung eines oder mehrerer angegebener Zeitpunkt erfordern können, wie das bei Brennkraftmaschinen Praxis ist.

An der oberen Totpunktmitte beginnt der Kolben 15 mit seinem Arbeitshub, wenn das Luft/Brennstoff-Gemisch in der Hauptbrennkammer 18 verbrennt und expandiert. Bei 109° der Kurbelwellendrehung beginnt der Kopf des Kolbens 15 die Auslaßöffnungen 35 freizugeben und die Abgase beginnen, in das Auslaßrohr 36 zu strömen. Wenn die Abgase die Hauptbrennkammer 18 verlassen, wird der Druck darin verringert und bei 131° der Kurbelwellendrehung beginnt der Kolben die Einlaßöffnungen 34 freizugeben. Infolge des verringerten Druckes in der Brennkammer 18 und des Druckes der Frischluft in dem Einlaßrohr 33, füllt die Frischluft die Brennkammer und entfernt die Restprodukte des vorherigen Verbrennungszyklus.

Der Boden des Kolbens 15 und des Zylinderkopfes 12 ebenso wie die Anordnung der Ein- und Auslaßöffnungen 34 und 35 bewirken einen nach oben gerichteten, bogenförmigen Luftstrom, der die oberen Bereicheder Brennkammer 18 spült, ebenso wie einen radialen und horizontalen Luftstrom, der die Bereiche der Brennkammer 18 nahe den Ein- und Auslaßöffnungen 34 und 35 spült. Diese Spülung wird allgemein als Schleifenspülung bezeichnet. In Fig. 4 ist die Zündeinrichtung 60 direkt über dem Lufteinlaßrohr 33 und den Einlaßöffnungen 34 angeordnet. Diese Lage stellt die Zufuhr von Frischluft nahe der öffnung 73 sicher.

Nach dem öffnen der Einlaßöffnungen 34 hebt die Ventilscheibe des Ventils 69, da der Brennkammer 72 der Zündeinrichtung gasförmigen Brennstoff zuführt, aufgrund der

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Unterschiede zwischen den Kräften auf seinen gegenüberliegenden Seiten von stinern Sitz ab. Da der Druck des gasförmigen Brennstoffs in dem Kanal 6 7 eine Funktion des Luftdruckes in dem Einlaßrohr 33 und der Geschwindigkeit der Maschine 10 ist, kann die genaue Öffnungszeit des Ventils 6 9 nicht auf die Drehlage der Kurbelwelle bezogen werden. Das Ventil 6 9 öffnet über einen Bereich von Kurbelwellenstellungen, um die untere Totpunktmitte (BDC) der Kurbelwelle, wie Fig. 5 zeigt. In gleicher Weise kehrt die Ventilscheibe des Ventils 69 wieder auf ihren Sitz zurück und schließt den Kanal 67 zu einem zur Kurbelwellendrehung nicht genau bezogenen Zeitpunkt, wenn der Unterschied zwischen den Kräften auf seinen gegenüberliegenden Seiten sich infolge der Druckänderung in der Brennkammer 18 ändert.

Die Kurbelwelle dreht sich weiter und die Schleifenspülung und Zündung der Frischluft dauert an, bis der Kopf des Kolbens 15 die Einlaßöffnungen 34 bei 243° der Kurbelwellenbewegung schließt. Bei 245° der Kurbelwellenbewegung aktiviert die Kurbenscheibe 59 die Ventilanordnung 45, die öffnet und der Hauptbrennkammer 18 Brennstoff zuführt. Bei 261° der Kurbelwellenbewegung schließt das obere Ende des Kolbens 15 die Auslaßöffnungen 35 und die Kompression der Gase in der Brennkammer 18 beginnt. Die Symmetrie der Kurbelwellenlage zwischen dem Öffnen und Schließen der Einlaßöffnungen 34 und der Auslaßöffnungen 35 ist auf die bei der Maschine 10 verwendete angelegte Kurbelwelle zurückzuführen. Wenn die Ladung in der Brennkammer 18 komprimiert wird, gelangt Frischluft durch die öffnung 73 mnd wird mit der Ladung des gasförmigen Brennstoffs gemischt, das der Brennkammer 72 durch das Ventil 69 zugeführt wird. Das Hauptbrennstoffventil 45 schließt in der Kurbelwellenstellung von 295°. Die Kompression der Ladung in der Brennkammer 18 und der Strom eines Teils der Ladung durch die öffnung 73 in die Brennkammer 72 dauert an.

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Das vorzugsweise Luft/Brer.nstoff-Gemisch in der Brennkammer 18 und der Brennkammer 72 wird anhand von drei Faktoren beschreiben, nämlich dem Luft/Brennstoff-Gewichtsverhältnis, Luft/Brennstoff-Volumenverhältnis und dem Äquivalenzverhältnis, das das Verhältnis des Gemisches zum idealen bzw. ·■»tochiometrisehen Verhältnis ist.

Das stöchiometrische Gewichtsverhältnis beträgt 14 : 1. Das Luft/Brennstoff-Gemisch in der Hauptbrennkammer 18 ist mager und vorzugsweise zwischen 18 : 1 und 22,5 : 1, während ein reicheres Gemisch in der Brennkammer 72 der Zündeinrichtung vorzugsweise zwischen 12_f5 : 1 und 14:1 liegt.

Das -s töchiometrische Volumenverhältnis beträgt 9,8 : 1. Das Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Hauptbrennkammer 18 liegt vorzugsweise zwischen 12,7 :1 und 15,7 : 1, während das Gemisch in der Brennkammer 72 der Zündeinrichtung vorzugsweise zwischen 8,8 :1 und 9,8 : 1 liegt.

Das Äquivalenzverhältnis eines stöchiometrischen Luft/ Brennstoff-Gemischs ist selbstverständlich 1. Das Äquivalenzverhältnis des Gemischs in der Hauptbrennkammer 18 liegt vorzugsweise zwischen 1,3 und 1,6, während das Äquivalenzverhältnis des Gemischs in der Brennkammer 72 der Zündeinrichtung vorzugsweise zwischen 0,9 und 1,0 liegt. Durch einfache mathematische Berechnung drückt das Äquivalenzverhältnis in Prozent den Überschuß (bzw. den Mangel) an Luft in einem bestimmten Luft/Brennstoff-Gemisch aus. Die Hauptbrennkammerladung enthält vorzugsweise 30 bis 60 % Luftüberschuß, während die Ladung der Zündeinrichtung vorzugsweise einen Luftmangel von 10 bis 0 % aufweist.

Bei 356° bzw. 4° vor der oberen Totpunktmitte erhält die Zündkerze 75 einen Impuls hoher Spannung von einem üblichen Zündsystem. Da die Luft/Brennstoff-Ladung in der Brennkammer 72 auf einer erhöhten Temperatur und

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relativ reich bzw. fett ist, erfolgt die Verbrennung der Ladung infolge des Funkens der Zündkerze 75 nahezu sofort und mit hoher Temperatur und die Verbrennungsgase treten aus der Öffnung 73 in die Hauptbrennkammer 18. Wegen der hohen Temperatur und der erheblichen Energie der Gase, die aus der Brennkammer 72 austreten, erfolgt die Zündung des mageren Luft/Brennstoff-Gemischs in der Hauptbrennkammer 18 schnell und gleichmäßig. Die Kurbelwelle und der Kolben 15 durchlaufen die untere Totpunktmitte und beginnen mit der Expansion bzw. dem Arbeitshub.

Der Zylinderdruck als eine Funktion des Zylindervolumens sowohl bei einer turbogeladenen Standard—Zweitaktmaschine als auch bei der Maschine der Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt. Die Abszisse stellt das relative Volumen des Zylinders dar, d.h. das Volumen der Brennkammer 18, und ist in zwei Bereiche geteilt. Der eine, V^, stellt den Totraum des Zylinders dar, d.h. das Volumen, das zwischen dem oberen Ende des Kolbens 5, den Wänden des Zylinders 11 und dem Zylinderkopf 12 verbleibt, wenn der Kolben 15 in der oberen Totpunktmitte ist, und ein zweiter Bereich V stellt das Verdrängungsvolumen dar, das Bohrung mal Hub des Kolbens 15 ist. Die durchgehende Linie stellt den Druck in Abhängigkeit vom Volumen einer Standardmaschine dar, während die gestrichelte Linie den Druck in Abhängigkeit vom Volumen der erfindungsgemäßen Maschine mit niedriger NO_v-Emission darstellt. In allen Fällen liegt der Druck der Maschine mit niedriger Ν0_χ-Emission über dem entsprechenden Druck einer Standardmaschine. Der Druck an der unteren Totpunktmitte rechts im Diagramm ist für den abgegebenen Turboladerdruck charakteristisch, und der Druck, der von dem Turbolader der Maschine mit niedriger NO^-Emission abgegeben wird, liegt, wie die Tabelle I zeigt, wesentlich über dem abgegebenen Luftdruck einer üblichen Maschine.

909850/0729 ORIG₁NAL INSPECTED

Die erhebliche Druckdiffen-rz zwischen der Maschine der Erfindung und einer üblichen ist das Ergebnis des abgewandelten Turboladeraufbaus. Fig. 7 zeigt die Verschiebung der Turboladerarbeitslinien und Linien konstanten Turbbladerwirkungsgrades. Während übliche Turboladerkonstruktionen für großbohrige Zweitaktmaschinen abgegebene adiabatische Drücke im Bereich von 12000-14000 foot-pounds/frotrrl der Luft erfordern, ergibt der hier verwendete Turbolader eine optimale Leistung im Bereich zwischen 2 2OOO-26OOO f t-lb/lb der Luft. Fig. 7 zeigt, daß, obwohl der adiabatische Dr.uckparameter des Turboladers der Erfindung um etwa den Faktor 2 erhöht ist, der tatsächliche Luftstrom nur um einen Faktor von etwa 25 % zunimmt. Die Tabelle I zeigt ebenfalls eine solche Stromzunahme, bei der der Luftstrom in Prozent der Zylinderverstellung angegeben ist und z.B. bei 100 % Belastung von 182 % der Zylinderverschiebung auf 208 % der Zylinderverschiebung ansteigt.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die in Fig. 7 beschriebenen Betriebsbedingungen für die spezielle beschriebene Maschine optimale Bedingungen sind. Zweitaktmaschinen haben etwas anders geformte Brennkammern, Ein- und Auslaßöffnungsformen und andere konstruktive Unterschiede können eine bestimmte Änderung dieser Arbeitslinien erfordern.

Zusätzlich zu der verringerten Emission von unverbranntem Kohlenwasserstoff und der stark reduzierten Emission von Stickstoffoxyd und Stickstoffdioxyd hat das grundsätzliche Verbrennungsverfahren auch Vorteile hinsichtlich der Brennstoff-Flexibilität. Wegen des mageren Brennstoff-Luft-Gemischs und dem relativ niedrigem Kompressionsverhältnis liegen die Temperaturen und Drücke in der Brennkammer während des Kompressionshubs der Maschine unter dem Zündpunkt vieler Kohlenwasserstoffbrennstoffe. Eine vollkommen akzeptable Verbrennung wird nicht nur mit jedem Gemisch

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von Methan und Äthan in Erdgas, sondern auch mit Gemischen schwererer parafiner Kohlenwasserstoffe mit niedrigeren Oktanzahlen wie Propan, N-Butan, Isobutan, N-Pentan und Isopentan erreicht. Die vorherigen Brennstoffe verbrennen in dem gesamten Bereich von Kompressionsverhältnissen (4 : 11 bis 11 : 1), die zuvor beschrieben wurden, nicht vollständig, jedoch arbeiten die meisten bei dem bevorzugten Kompressionsverhältnis von 8:1, dessen Daten in der Tabelle I angegeben sind, zufriedenstellend. Die verwendbaren Kombinationen von Brennstoff- und Kompressionsverhältnis werden durch die Erfindung erheblich erweitert, da bei einer bestimmten Kompression bisher nicht verwendbare Brennstoffe mit niedriger Oktanzahl nun verwendet werden können.

Eine reduzierte Emission, eine gleichmäßige Zündung und damit eine gleichmäßige Leistungsabgabe und eine größere Brennstoff-Flexibilität werden nicht durch verringerte Brennstoff-Wirtschaftlichkeit erreicht. Die speziellen Brennstoffverbrauchsdaten der Tabelle I zeigen eine Erhöhung des mittleren Brennstoffverbrauchs von etwa 2 % bei einem Kompressionsverhältnis von 8:1. Der Wunsch nach erhöhten Kompressionsverhältnissen und der damit höhere Wärmewirkungsgrad, die durch die verringerte Zündempfindlichkeit des mageren Luft-Brennstoff-Gemischs ermöglicht werden, können zur Verringerung des Brennstoffverbrauchs ausgenutzt werden.

Mit der beschriebenen Maschine und dem beschriebenen Verbrennungsverfahren ist es möglich, eine zufriedenstellende Verbrennung und Leistungserzeugung zu erreichen, wobei ein großer Bereich von Wasserstoffbrennstoffen verwendet werden und hohe Brennstoffwirkungsgrade und eine geringe Kohlenwasserstoff- und NO -Emission erreicht werden können. Diese betriebsmäßigen Vorteile können in einer Zwei- oder einer Viertaktmaschine erreicht werden.

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tO O CO CD cn

-<v O -J N) CX)

Mas chinenlas t (in £ der Vollast)	75	STD	LMX	92	STD	LMX	100	STD	LNX	109 *	STD	LNX	116*	STD	LNX
Maschinenart (normal oder geringe ΝΟγ-Em.)	11	4	11	4	11	4	11	4	11	4
Zündzeitpunkt (in Graden vor der oberen Mitte)	159	161	175	191	182	208	194	223	205	234
Luftstrom (in ia der Verschiebung)	325,1	I 381	388^62	533,4	396,24	612.14	439.42	690.88	502,9:	! 749,3
Luftrohrdruck (in mm Hg-Säule)	54,44	54,44	54,44	54,44	43,33	43,33	32,22	32,22	21,11	'21, 11
Luftrohrtemp, (in °c)	49,35	55,65	63,35	64,05	64,75	68,95	68,25	73,15	73,5	78,05
Zünddruck (in kg/cm )	710	658	717	670	720	616	701	672	729	665
Austrittstemp. (la °_P)	357	300	383	325	414	347	390	315	403	335
Zylinderkopftemp. in ° _F )	7490	7260	J768	7030	S717	7000	j 702	6940	J640	6940
Spez. Brennstoffverbrauch (in BTU/PS-Std)	6.7	2.2	9.2	3.9	11.7	3.4	11.8	3.1	10.6	3.7
NO„-Emission (in g/PS-Std)	637	180	Ll 35	311	L024	267	L045	255	926	330 TO
NO..- Emission (in Teilen/Million)

Tabelle I

NJ

Die Maschinenlastbedingungen bei 109 und 116 % und die Daten darunter beziehen sich auf den Betrieb entsprechend einer Norm, die eine zusätzliche Last von 16 % bei einer Brennkraftmaschine zuläßt, wenn die Umgebungstemperatur von 26 ⁰C auf k ⁰C fällt.

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Ίί"

Leerseite

Claims

Ansprüche

f 1.!Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsluft auf einen Druck zwischen etwa 380 und 760 mm Quecksilbersäule komprimiert wird, daß die Eintrittsluft zu einer Hauptbrennkammer der Brennkraftmaschine geleitet wird, daß ein Teil der Eintrittsluft in die Brennkammer einer Zündeinrichtung geleitet wird, daß ein paraffiner Kohlenwasserstoff-Brennstoff in die Brennkammer der Zündeinrichtung eingespritzt wird, um ein Gemisch zu bilden, das stärker als ein stö.chiometrisches Gemisch angereichert ist, daß die Eintrittsluft und das Gemisch weiter komprimiert werden, daß ein paraffiner Kohlenwasserstoff-Brennstoff in die Hauptbrennkammer eingespritzt wird, während die Eintrittsluft und das Gemisch weiter komprimiert werden, um in der Hauptbrennkammer ein Gemisch zu bilden, das magerer als ein stöchiometrisches Verhältnis ist, daß das Gemisch in der Brennkammer der Zündeinrichtung gezündet wird, bevor die Kompression des Gemischs erreicht ist, um einen Strom heißer Gase zu bilden, daß der Strom

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heißer Gase in das Gemisch in der Hauptbrennkammer gerichtet wird, um das Gemisch darin zu entzünden, und daß im wesentlichen alle Verbrennungsprodukte aus der Hauptbrennkammer entfernt werden, die Stickstoffoxyd- und Stickstoffdioxyd-Bestandteile von weniger als 350 Teilen pro Million haben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stö.chiometrische Gewichtsverhältnis des Gemischs in der Brennkammer der Zündeinrichtung unmittelbar vor der Zündung zwischen 12,5 : 1 und 14 : 1 liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stoichiometrische Gewichtsverhältnis des Gemischs in der Hauptbrennkammer unmittelbar vor der Zündung zwischen 18:1 und 22,5 : 1 liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der entfernten Verbrennungsprodukte zur Kompression der Eintrittsluft verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Verfahrensschritte einmal während jedes Hin- und Herbewegungszyklus des Kolbens der Maschine durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Verfahrensschritte einmal jeden jede zweite Hin- und Herbewegungszyklus des Kolbens der Maschine durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der paraffine Kohlenwasserstoff-Brennstoff

im wesentlichen aus Äthan und Methan besteht.
8. Verfahren zum Betrieb einer Zweitaktbrennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet , daß Eintrittsluft

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auf einen Druck zwischen etwa 380 und 760 mm Quecksilbersäule komprimiert wird, daß die komprimierte Eintrittsluft in eine Hauptbrennkammer der Brennkraftmaschine eingeleitet wird, daß ein Teil der komprimierten Luft in eine Brennkammer einer Zündeinrichtung eingeleitet wird, daß Erdgas in die Brennkammer der Zündeinrichtung gepumpt wird, um ein Gemisch mit einem stoichiometrischen Gewichtsverhältnis zwischen 12,5 : 1 und 14 : 1 zu bilden, daß die Eintrittsluft und das Gemisch auf einen Druck über 35 Kg/cm komprimiert wird, daß Erdgas in die Hauptbrennkammer gepumpt wird, während die Eintrittsluft und das Gemisch weiter kcmprimiert werden, um ein Gemisch in der Hauptbrennkammer zu bilden, das ein stoichiometrisches Gewichtsverhältnis zwischen 18 und 22,5 hat, daß das Gemisch in der Brennkammer der Zündeinrichtung vor der vollen Kompression des Gemischs gezündet wird, um einen Stroß heißer * Gase zu erzeugen, daß der Strom heißer Gase in das Gemisch in der Hauptbrennkammer geleitet wird, um das Gemisch zu entzünden, und daß im wesentlichen alle Verbrennungsprodukte mit Stickstoffoxyd- und Stickstoffdioxyd-Bestandteilen von weniger als 350 Teilen pro Million entfernt werden.

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