DE2921997C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraftmaschine mit gasförmigen Kohlen­ wasserstoffen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zweitakt-Brennkraftmaschinen mit großem Hubraum haben viele Anwendungsfälle, in denen eine geringe Drehzahl und eine große Leistung stationär bzw. bei Großanlagen erforderlich 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 der Ferngasleitung installierter Kompressor arbeitet normalerweise mit Erdgas, während eine Lokomotiven- bzw. Schiffsmaschine normalerweise mit Dieselbrennstoff arbeitet. Die Brenn­ stoffanpaßbarkeit 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 Betriebs­ parameter dieser Maschinen. Dabei wurde vor allem ver­ sucht, die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad solcher Maschinen zu verbessern. Man war bestrebt, die vollstän­ dige Spülung von Verbrennungsprodukten aus der Brenn­ kammer 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 Kolben­ krone ab.

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 Verbrennungsschwierig­ keiten, da nur sehr gut gemischte Gasluftvolumina zünden und zu einer richtigen Verbrennung führen. Dieses Pro­ blem 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 0,1133 Kubikmeter haben, führt die Luft/Brennstoff-Mischung bei hohen Luft/Brennstoff- Verhältnissen zu einem schwierigen Problem. Durch eine unvollständige Verbrennung ergibt sich eine er­ höhte Emission von unverbranntem Kohlenwasserstoff und ein ungleichmäßiger Betrieb der Maschine. Die weitere Schwierigkeit ergibt sich bei Kompressoren für Ferngasleitungen durch die absolute Notwendigkeit, daß solche Kompressoren mit konstanter Geschwindigkeit betrieben werden müssen. Die Verbrennung von Erdgas, das hauptsächlich aus Methan und Äthan besteht, führt theoretisch zu Kohlendioxyd, 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 ganz richtig. Stickstoff, das etwa 80% der Atmosphäre bildet, ist ebenfalls vorhanden und beeinflußt den Verbrennungsprozeß. Da Stickstoff zusammen mit Sauerstoff in die Brennkammer gelangt, ist es während des Verbrennungsprozesses vorhanden. Die Stickstoff-Moleküle, die durch die Verbrennung erhitzt werden, dissoziieren und vereinigen sich mit Sauerstoff zu Stickstoffoxyd und Stickstoffdioxyd. Diese beiden Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen vereinigen sich zu NO _X . Die Stickstoff mitführenden Abgasbestandteile sind für die Atmosphäre und lebende Organismen schädlich, und man versucht daher, diese zu verringern und zu beiseitigen.

Eine zweite Gruppe von Abgasbestandteilen, die zu ver­ ringern versucht wurde, sind diejenigen Produkte, die bei einer unvollständigen Verbrennung entstehen, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyd.

Diese Abgasbestandteile ergeben sich auf Grund einer unvollständigen Verbrennung infolge einer unvollständigen Luft/Brennstoff-Mischung und fetter Brennstoff- Luftgemische.

Zu diesem Thema ist eine Veröffentlichung der American Society of Mechanical Engineers, 71-WA/DGP-2 erschienen. Diese Veröffentlichung aus dem Jahre 1971 beschäftigt sich mit der Verringerung von NO _X -Emission bei Diesel- und Erdgasmaschinen mit großem Hubraum. Die Betriebsparameter wurden geändert, um einen großen Bereich von Betriebsbedingungen zu simulieren. Es wurde festgestellt, daß die NO _X -Bildung von den Temperaturen der aufgeladenen Luft und dem Luftladedruck abhängt. Eine Ver­ ringerung der NO _X -Bildung bei Zunahme der Maschinen­ geschwindigkeit wurde ebenfalls festgestellt und auf die verringerte Verweilzeit des Stickstoffgases in der Brennkammer bei erhöhter Temperatur, bei der der Stick­ stoff dissoziieren kann, zurückgeführt.

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

In der Zeitschrift MTZ Motortechnische Zeitschrift 38 (1977) 3, ist auf den Seiten 107 bis 112 ein Verfahren zur Energieerzeugung durch Gasmotoren beschrieben. Es handelt sich dabei speziell um eine Otto-Brennkraftma­ schine, die auf Gasbetrieb umgerüstet wurde. Ebenfalls aus dieser Veröffentlichung ist die Verwendung eines Abgasturboladers gerade für Gasmotoren bekannt. Dabei werden hohe Drücke sowohl für die Aufladung als auch für die Verbrennung vorgesehen. Trotzdem ist die Schadstoffkonzentration besonders bei hohen Motorlei­ stungen nicht zufriedenstellend wie aus der Darstellung Bild 9 auf S. 111 des Artikels hervorgeht. Eine Ver­ besserung in dieser Hinsicht bringt das Verfahren das in der Zeitschrift MTZ Motortechnische Zeitschrift 37 (1976) 1/2, Seiten 27 bis 32 beschrieben ist. Der Brennraum ist bei dieser Maschine in eine kleine Neben- und eine größere Hauptbrennkammer unterteilt. Bei einem Brennstoffanteil a _NK von über 0,5 liegt das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Nebenkammer unter 0,4 und in der Hauptbrennkammer unter 1,5. Nachteil bei diesem Verfahren ist jedoch, daß der Brennstoffverbrauch um ca. 20% ansteigt und der Anteil an unverbrauchten Kohlenwasserstoffen sich vervielfacht.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu führen, daß der Stickoxydanteil im Abgas entscheidend reduziert wird, ohne daß der Kraftstoffverbrauch merklich ansteigt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Weitere vorteil­ hafte Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unter­ ansprüche.

Die Maschine weist eine Vorkammer zusätzlich zur Haupt­ brennkammer und eine Hochdruckturboladung auf, um eine höhere Leistung in dem Last- und Drehzahlbereich ebenso wie eine verringerte NO _X -Emission zu ergeben.

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/Brenn­ stoff-Gemisch, das dem stöchiometrischen Gewichtsver­ hältnis von 14 : 1 relativ naheliegt. Daraus folgt, daß, da das Luft/Brennstoff-Gemisch bei geringer Last zunehmend magerer wird, eine zufriedenstellende Ver­ brennung zunehmend schwieriger erreicht werden kann.

Die Vorkammer soll die Leistung der Maschine insbesondere bei geringer Last verbessern. Die Vorkammer ist im Zylinderkopf angeordnet und hat eine Zündkerze und ein Brennstoffdruckventil, das die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff in die Vorkammer 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 Vorkammer. Das Volumen der Zusatzbrennkammer beträgt etwa 2% des Totraums des Zylinders. Ein übliches, nockengesteuertes Hauptbrennstoffventil führt den Brennstoff in die Hauptkammer. Eine zeitlich gesteuerte Zündkerze zündet das relativ fette Luft/Brennstoff-Gemisch in der Vorkammer, und die heißen Gase, die aus der Vorkammer austreten, haben eine ausreichende Energie, um eine vollständige Verbrennung des mehr mageren Gemisches in der Hauptkammer einzuleiten und aufrecht zu erhalten.

Die Vorkammer 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 liegen im Mittel etwa 50% über dem üblicher turbogeladener Erdgas-Brennkraftmaschinen. Einzelheiten der Turbo­ laderkonstruktion 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 _X -Bildung nicht vollständig geklärt ist, ergibt sich ein Zusammenhang aus der proportionalen Beziehung zwischen der Verbrennungs­ temperatur und der Brennkammer-Verweilzeit. Eine erhöhte Verbrennungszeit und insbesondere eine erhöhte Temperatur begünstigen die Dissoziation von zweiatomigem Stickstoff und die Bildung von Stickstoffoxyd und Stick­ stoffdioxyd. Eine Verringerung der Verbrennungstemperatur und der Verweilzeit durch Anwendung höherer Brenn­ kammer-Ladedrücke und höherer Luft-Brennstoff-Verhältnisse wird angestrebt.

Die hier beschriebenen Arbeitsverfahren führen zu einer mittleren NO _X -Emmissionsverringerung von etwa 72%.

Diese wesentliche Emissionsverringerung wäre nicht bemerkenswert, wenn sie von einer gleichzeitigen wesent­ lichen Erhöhung des Brennstoffverbrauchs begleitet wäre.

Dies bedeutet, daß im Hinblick auf eine Brennstoffein­ sparung und verringerte Emission ein Verbrennungsver­ fahren, bei dem nur der Wirkungsgrad gegen eine geringere Emission ausgetauscht ist, von geringer Bedeutung wäre. Die Daten der beigefügten Tabelle I zeigen, daß der mittlere spezifische Brennstoffverbrauch 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 mit Kohlenwasserstoffen niedrigerer Oktanzahl wie Propan, Butan und Pentan durchführbar.

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

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Fig. 1 bis 7 beispielsweise erläutert. Es zeigt

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

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

Fig. 3 eine Aufsicht der Zündeinrichtung längs der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine Aufsicht eines Zylinderkopfes der Maschine,

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

Fig. 6 ein Diagramm, aus dem das Luftzylindervolumen in Abhängigkeit vom Zylinderdruck bei einer üblichen Maschine und der der Erfindung hervor­ geht, und

Fig. 7 ein Diagramm, in dem Linien mit konstantem Wirkungs­ grad für übliche Turbolader und den bei der Erfindung verwendeten hervorgehen.

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

Der Zylinder 11, der Zylinderkopf 12 und der Kolben 15 bilden zusammen eine Brennkammer 18, und die Kolbenringe 16 verhindern den Aus­ tritt verschiedener Gase in der Brennkammer 18 während des Betriebes der Maschine 10. Der Kolben 15 hat außerdem einen horizontal angeordneten Kolbenbolzen 19, an dem ein Kurbel­ arm 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 an Hand der Arbeitsweise er­ läutert wird, ermöglicht es die allgemeine Unempfindlichkeit der Maschine 10 gegenüber einer Frühzündung der Luft/Brenn­ stoff-Ladung in der Brennkammer 18, höhere Kompressionsver­ hältnisse bis zu 11 : 1 bei gleichzeitiger Verbesserung des Wärmewirkungsgrades anzuwenden. Das erwähnte Kompressions­ verhältnis von 8 : 1 kann bis auf 4 : 1 verändert werden, sollten es die Brennstoffeigenschaften oder die Betriebsbe­ dingungen erfordern.

Die Maschine 10 ist mit einem Turbolader ausgestattet. 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 1,5 und 2 bar (absolut), was vergleichbare Betriebs­ bedingungen ergibt, und ist 45 bis 50% höher als der Einlaß­ druck 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 ge­ kühlte, komprimierte Luft gelangt dann über einen Einlaß­ kanal 33 in den Zylinder 11. Der Zylinder 11 hat Einlaß­ öffnungen 34, die mit dem Kanal 33 verbunden sind und die Luft in die Brennkammer 18 eintreten lassen, wenn der Kolben 15 die Öffnung 34 auf Grund 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 Einlaß­ seite einer Expansionsturbine 37 führt. Die Abgase expan­ dieren, treiben die Turbine 37 an und werden über einen Auslaßkanal 38 zur Atmosphäre abgeleitet. Die Expansions­ turbine 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 Einlaß­ luft zu bewirken.

Die Betriebsparameter der Turboladeranordnung werden im einzelnen bei der Beschreibung der Arbeitsweise erläutert. Verschiedene Dauerzustands-Betriebsparameter sind in der Tabelle 1 angegeben, an Hand der der Betrieb einer üblichen großvolumigen, mit Erdgas arbeitenden Maschine und der erfindungsgemäßen Maschine mit niedriger NO _X -Emission ver­ glichen werden kann.

Die Maschine 10 wird vorzugsweise mit Erdgas betrieben und eine Brennstoffleitung 40 führt der Maschine Gas mit etwa 6,86 bar zu. Die Maschine 10 arbeitet mit zwei Druck­ reglern 41 und 42. Der Regler 41 stellt den Druck des der Hauptbrennkammer 18 zugeführten gasförmigen Brenn­ stoffes proportional der Geschwindigkeit der Maschine 10 ein. Der Druckeinstellbereich des Reglers 41 reicht von 2,0-6,17 bar, was der Leerlaufdrehzahl bis zur maximalen Drehzahl entspricht. Vorrichtungen wie der Regler 41 sind üblicherweise mit dem Drehzahlregler (nicht gezeigt) gekuppelt und stellen den Gasdruck in bei Brennkraftmaschinen bekannter Weise mechanisch ein.

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 Zwei­ taktmaschine.

An Hand der Fig. 4 ist die Lage der Elemente des Zylinder­ kopfes 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 sicht­ bar. Unter einem Winkel von etwa 45° von der diametralen Linie aus, die das Einlaß- und Auslaßrohr 33 und 36 winkel­ halbiert, ist das Ventilgehäuse 46 angeordnet. Übereinstimmend mit der diametralen Linie, die das Einlaß- und Aus­ laßrohr 33 und 36 verbindet, ist eine Zündeinrichtung 60 angeordnet.

Die Gasleitung 40 in Fig. 1 führt auch dem zweiten Regulator 42 gasförmigen Brennstoff zu. Der Regulator 42 stellt den Druck des der Zündeinrichtung 60 zugeführten Brennstoffes entsprechend der Geschwindigkeit der Ma­ schine 10 und dem Druck im Einlaßrohr 33 ein. Der abge­ gebene Gasdruck des Regulators liegt typischerweise zwischen 1,03 bar und 2,05 bar.

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 Beziehung zwischen dem Ladevolumen und der Betriebstemperatur zurückzuführen. Wenn das Volumen der Brennkammer 72 zunimmt, erhöht sich ihre Betriebstemperatur infolge der höheren Verbrennungsenergie der enthaltenen Ladung und der geringeren Wärmeübertragungsfläche pro Einheit des Brennkammervolumens. Innerhalb von Grenzen ist dies von Vorteil, da diese Eigenschaft an die Eigenschaften des Luft/Brennstoff-Gemischs und insbesondere die Zündtempe­ ratur des Brennstoffs derart angepaßt werden kann, daß die Dauerzustands-Betriebstemperatur der Wände der Brenn­ kammer 72 etwas unter der Zündtemperatur des Luft/Brenn­ stoff-Gemischs liegt.

Eine neue Luft/Brennstoff-Ladung wird somit von den Wänden der Kammer 72 auf eine Temperatur etwas unter ihrem Zünd­ punkt erwärmt. Die Zündkerze 75 zündet das Gemisch in der Brennkammer 72 und die Flammenausbreitung und Verbrennung erfolgen auf Grund 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 unter­ schiedlichen 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 Tot­ raums 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 Zylinder 61 durch einen rechteckigen Flansch 78 gehalten, der wiederum am Zylinder durch Schrauben 79 befestigt ist.

Arbeitsweise

Die erhebliche Verringerung der NO- und NO₂-Emission der großbohrigen, turbogeladenen Maschine der Erfindung ist auf einige konstruktive Änderungen und betriebs­ mäßige Kompromisse zurückzuführen. Das Entstehen von NO _X -Emissionen hängt von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis ab. Je höher dieses Verhältnis ist, desto niedriger ist die NO _X -Emission. Obwohl der Mechanismus der NO _X -Bildung 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 ver­ hindert die Dissoziation der zweiatomigen Stickstoffmole­ küle, die ebenfalls in der Brennkammer vorhanden sind, und verringert dadurch die NO _X -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 Ma­ schine erhöht.

Eine unter den zuvor beschriebenen allgemeinen und den speziellen Bedingungen in Tabelle 1 arbeitende Maschine mit einer Zündanordnung mit einer oder mehreren Zünd­ kerzen hat eine unregelmäßige Verbrennnung und Leistungs­ abgabe. 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 Kurbel­ welle in Grad, beginnend in der oberen Totpunktmitte (TDC) und im Uhrzeigersinn um das Kreisdiagramm umlaufend. An­ gegebene Kurbelwellenzeitpunkte sind vorzugsweise Werte; sie sind keine absoluten Zeitpunkte, da verschiedene Brennstoffe, Kompressionsverhältnisse, Zündzeitpunkte, Leitungsdrücke und Störfaktoren eine andere Einstellung eines oder mehrerer angegebener Zeitpunkte erfordern können, wie das bei Brennkraftmaschinen Praxis ist.

Im oberen Totpunkt beginnt der Kolben 15 mit seinem Arbeitshub, wenn das Luft/Brennstoff-Gemisch in der Hauptbrennkammer 18 verbrennt und expandiert. Bei 109°C der Kurbelwellendrehung beginnt der Kopf des Kolbens 15 die Auslaßöffnung 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 Kurbelwellen­ drehung beginnt der Kolben die Einlaßöffnungen 34 frei­ zugeben. Infolge des verringerten Druckes in der Brenn­ kammer 18 und des Druckes der Frischluft in dem Einlaß­ rohr 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 Luft­ strom, der die oberen Bereiche der Brennkammer 18 spült, ebenso wie einen radialen und horizontalen Luftstrom, der die Bereiche der Brennkammer 18 nahe den Ein- und Auslaß­ öffnungen 34 und 35 spült. Diese Spülung wird allgemein als Schleifenspülung bezeichnet.

Das vorzugsweise Luft/Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer 18 und der Brennkammer 72 wird an Hand von drei Faktoren beschrieben, nämlich dem Luft/Brennstoff-Gewichtsverhältnis, Luft/Brennstoff-Volumenverhältnis und dem Äquivalenzver­ hältnis, das das Verhältnis des Gemisches zum idealen bzw. stöchiometrischen 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 Zündein­ richtung vorzugsweise zwischen 12,5 : 1 und 14 : 1 liegt.

Das stöchiometrische 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 vor­ zugsweise zwischen 8,8 : 1 und 9,8 : 1 liegt.

Das Äquivalenzverhältnis eines stöchiometrischen Luft/ Brennstoff-Gemischs ist selbstverständlich 1. Das Äquiva­ lenzverhältnis 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 vorzugs­ weise 30 bis 60% Luftüberschuß, während die Ladung der Zündeinrichtung vorzugsweise einen Luftmangel von 10 bis 0% aufweist.

Bei 356° bzw. 4° vor dem oberen Totpunkt 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 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 Hauptbrenn­ kammer 18 schnell und gleichmäßig. Die Kurbelwelle und der Kolben 15 durchlaufen die obere 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 _C 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 _D 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 _X -Emission darstellt. In allen Fällen liegt der Druck der Maschine mit niedriger NO _X - Emission über dem entsprechenden Druck einer Standard­ maschine. 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 _X -Emission abgegeben wird, liegt, wie die Tabelle I zeigt, wesentlich über dem abge­ gebenen Luftdruck einer üblichen Maschine.

Die erhebliche Druckdifferenz zwischen der Maschine der Erfindung und einer üblichen ist das Ende des abge­ wandelten Turboladeraufbaus. Fig. 7 zeigt die Verschiebung der Turboladerarbeitslinien und Linien konstanten Turbo­ laderwirkungsgrades. Während übliche Turboladerkonstruk­ tionen für großvolumige Zweitaktmaschinen eine Leistungsaufnahme im Bereich von 35870 bis 41845 Joule pro kg zugeführter Luft erfordern, ergibt der hier verwendete Turbolader eine optimale Leistungsaufnahme im Bereich zwischen 65760 bis 77715 Joule pro kg zugeführter Luft. Fig. 7 zeigt, daß, obwohl die Leistungsaufnahme 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 eben­ falls eine solche Stromzunahme, bei der der Luftstrom in Prozent der Zylinderstellung angegeben ist und zum Beispiel bei 100% Belastung von 182% auf 208% ansteigt.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die in Fig. 7 be­ schriebenen Betriebsbedingungen für die spezielle be­ schriebene Maschine optimale Bedingungen sind. Zweitakt­ maschinen haben etwas anders geformte Brennkammern, Ein- und Auslaßöffnungsformen und andere konstruktive Unterschiede können eine bestimmte Änderung dieser Ar­ beitslinien erfordern.

Zusätzlich zu der verringerten Emission von unverbranntem Kohlenwasserstoff und der stark reduzierten Emission von Stickstoffoxyd und Stickstoffdioxyd hat das grundsätz­ liche Verbrennungsverfahren auch Vorteile hinsichtlich der Brennstoff-Flexibilität. Wegen des mageren Brenn­ stoff-Luft-Gemisches und dem relativ niedrigen Kompres­ sionsverhältnis, liegen die Temperaturen und Drücke in der Brennkammer während des Kompressionshubs der Maschine unter dem Zündpunkt vieler Kohlenwasserstoffe. Eine vollkommen akzeptable Verbrennung wird nicht nur mit jedem Gemisch von Methan und Äthan in Erdgas, sondern auch mit Gemischen schwererer Kohlenwasserstoffe mit niedrigeren Oktanzahlen wie Propan, N-Butan, Isobutan, N-Pentan und Isopentan erreicht. Die vorherigen Brennstoffe verbrennen in dem gesamten Bereich von Kompressionsverhältnissen, die zuvor beschrieben wurden, nicht vollständig, jedoch arbeiten die meisten bei dem bevor­ zugten Kompressionsverhältnis von 8 : 1, dessen Daten in der Tabelle I angegeben sind, zufriedenstellend. Die ver­ wendbaren Kombinationen von Brennstoff- und Kompressions­ verhältnis werden durch die Erfindung erheblich erweitert, da bei einer bestimmten Kompression bisher nicht verwend­ bare 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 Brennstoff­ verbrauchs ausgenutzt werden.

Mit der beschriebenen Maschine und dem beschriebenen Verbrennungsverfahren ist es möglich, eine zufrieden­ stellende Verbrennung und Leistungserzeugung zu erreichen, wobei ein großer Bereich von Brennstoffen ver­ wendet werden und hohe Wirkungsgrade und eine geringe Kohlenwasserstoff- und NO _X -Emission erreicht werden können. Diese betriebsmäßigen Vorteile können in einer Zwei- oder einer Viertaktmaschine erreicht werden.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben einer Otto-Brennkraft­ maschine mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen wie z. B. Methan, die mindestens einen Brenn­ raum besitzt, welche durch Zylinder, Kolben und Zylinderkopf begrenzt und mit einem Turbolader versehen ist, der die aus dem Brennraum abgeführten Abgase arbeitsleistend entspannt und zum Verdichten von Frischluft ausnützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine nach einem Schichtladever­ fahren betrieben wird, wobei ein fettes Gemisch im Bereich 1 : 12,5 bis 1 : 14 (Gewichts­ verhältnis Kraftstoff : Luft) einer Vorkammer des Brennraums zugeführt wird, deren Volumen­ anteil am Volumen des Brennraums im oberen Totpunkt des Kolbens ca. 2% ausmacht, und einer Hauptkammer des Brennraums ein armes Gemisch im Bereich 1 : 18 bis 1 : 22,5 zugeführt und das fette Gemisch in der Vorkammer mit einer Zündkerze gezündet wird, aus der Vor­ kammer in die Hauptkammer ausströmt und das arme Gemisch dort zündet, wobei der Ladedruck zwischen ca. 1,5 und 2 bar (absolut) und der maximale Zünddruck über 35 bar liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Brennkraftmaschine im Zwei­ taktverfahren betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine im Vier­ taktverfahren betrieben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasser­ stoff-Brennstoff im wesentlichen aus Methan und Äthan besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennraum Erdgas zugeführt wird.