DE60305579T2 - Selbstzündende Brennkraftmaschine und Steuerverfahren - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Komprimieren und Selbstzünden eines Gemischs aus Brennstoff und Luft in einer Brennkammer, um eine Leistung zu erzeugen. Genauer ausgedrückt, die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Selbstzündens eines Luft/Brennstoff-Gemischs zwecks effektiver Erzeugung einer Leistung bei reduzierter Emission von Schadstoffen während der Verbrennung des Gemischs.
  • 2. Stand der Technik
  • Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung erzeugen selbst in relativ kleinen Ausführungen eine große Leistung und werden deshalb weltweit als Antriebsquellen verschiedener Transportfahrzeuge wie Automobile, Schiffe und Flugzeuge und als stationäre Antriebsquellen in Fabriken verwendet. Das Prinzip solcher Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung besteht darin, in einer Brennkammer einen Brennstoff zu verbrennen, den bei der Verbrennung erzeugten Druck in mechanische Arbeit umzuwandeln und als Drehmoment abzugeben.
  • Um die globale Umgebung zu schützen, besteht die zwingende Forderung nach Verringerung der Emission von Schadstoffen aus der Brennkraftmaschine. Eine weitere Notwendigkeit ist eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs, um die Emission von Kohlendioxid als Ursache der globalen Erwärmung und die Maschinenbetriebskosten zu senken.
  • Eine Möglichkeit, diese Forderungen zu erfüllen, ist die Nutzung eines Verbrennungssystems bei einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, nach welchem ein Luft/Brennstoff-Gemisch in deren Brennkammer komprimiert wird und sich selbst entzündet (nachfolgend „Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem" genannt). Wie später detailliert beschrieben, wird von einer nach dem Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem betriebenen Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung eine wesentliche Senkung der Emission von Abgasschadstoffen und des Brennstoffverbrauchs erwartet. Bei diesem Verbrennungssystem wird das Luft/Brennstoff-Gemisch komprimiert und entzündet sich selbst. Bei einigen Bedingungen, unter welchen die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung betrieben wird, entzündet das Luft/Brennstoff-Gemisch sich während des Komprimierens zu einem zu frühen Zeitpunkt, so daß starkes Klopfen auftritt.
  • Nach einer vorgeschlagenen Technologie wird ein Luft/Brennstoff-Gemisch mit allmählich sinkender Brennstoffkonzentration über die Brennkammer erzeugt und der Teil des Gemisch, welcher eine höhere Brennstoffkonzentration hat, gezündet, um den Zeitpunkt des Selbstzündens des restlichen Luft/Brennstoff-Gemischs zu steuern (Dokument 2001-254660). Gemäß dieser Technologie wird dieser Teil gezündet und verbrannt, um den Druck in der Brennkammer zu erhöhen, dadurch den restlichen Teil des Gemischs zu komprimieren, damit dieses sich selbst entzündet. Die Verzögerung bis zum Selbstzünden des komprimierten Luft/Brennstoff-Gemischs (Selbstzündverzögerungszeit) verlängert sich mit abnehmender Brennstoffkonzentration. Dadurch erfolgt Selbstzünden des komprimierten restlichen Luft/Brennstoff-Gemischs nicht vollständig zum gleichen Zeitpunkt, sondern beginnt bei dem Teil mit der größeren Brennstoffkonzentration und setzt sich immer weiter fort. Durch Steuern des Zündzeitpunktes des Luft/Brennstoff- Gemischs wird der Beginn des Selbstzündens gesteuert und somit Klopfen verhindert.
  • Bei dieser den Stand der Technik repräsentierenden Technologie kann der Zeitpunkt des Selbstzündens des Luft/Brennstoff-Gemischs jedoch nur unter Schwierigkeiten zuverlässig gesteuert und somit Klopfen kaum verhindert werden. Das Mischen von Brennstoff mit Luft zur Erzeugung eines Luft/Brennstoff-Gemischs muß vor dem Zünden erfolgen. Vom Einspritzen des Brennstoffs in die Brennkammer zwecks Vermischens mit Luft bis zum tatsächlichen Zünden des erzeugten Luft/Brennstoff-Gemischs vergeht eine bestimmte Zeit. Beim Betreiben der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung unter bestimmten Bedingungen erfolgt das Selbstzünden, bevor Luft und Brennstoff sich ausreichend miteinander vermischt haben. Das heißt, daß das Luft/Brennstoff-Gemisch sich vor dem gewünschten Zeitpunkt selbst entzündet. Mit anderen Worten, der Selbstzündzeitpunkt des Luft/Brennstoff-Gemischs kann nicht durch Regulieren des Zündzeitpunktes gesteuert werden.
  • Die abnehmende Brennstoffkonzentration über die gesamte Brennkammer verlängert die Selbstzündverzögerungszeit und verhindert dadurch das Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs vor dem eigentlichen Zündzeitpunkt.
  • Im Dokument US 6,227,151 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit Funkenzündung offenbart, bei welcher der Kraftstoff in wenigstens zwei Fraktionen mit unterschiedlichem Siedepunkt getrennt wird. Die einzelnen Brennstofffraktionen werden der Brennkammer der Maschine getrennt zugeführt, um in jedem Zylinder zum Funkenbildungszeitpunkt eine Zweizonen-Ladungsschicht zu erhalten, wenn die Maschine unter Schwachlast- und Mittellastbedingungen betrieben wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Betreitstellung einer Technologie zum effektiven Steuern des Selbstzündzeitpunktes des Luft/Brennstoff-Gemischs einer Brennkraftmaschine.
  • Diese Aufgabe erfüllen die im Anspruch 1 definierte Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, die im Anspruch 20 definierte Steuervorrichtung und das im Anspruch 21 definierte Steuerverfahren.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, in deren Brennkammer ein Gemisch aus Luft und Brennstoff komprimiert und verbrannt wird, um eine Leistung zu erzeugen.
  • Zu dieser Brennkraftmaschine gehören: ein Mechanismus zum Komprimieren des Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer, ein erster Modul zur Erzeugung eines ersten Luft/Brennstoff-Gemisch aus einem Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis, welcher das Selbstzünden des ersten Luft/Brennstoff-Gemischs beim Komprimieren durch den Komprimiermechanismus in der Brennkammer verhindert, ein zweiter Modul zum Einspritzen eines vom ersten Brennstoff sich unterscheidenden zweiten Brennstoffs in einen Teilbereich der Brennkammer zwecks Erzeugung eines zweiten Luft/Brennstoff-Gemischs, und ein Zündmodul zum Zünden des zweiten Luft/Brennstoff-Gemischs, um das erste Luft/Brennstoff-Gemisch zu komprimieren und dadurch das Selbstzünden dieses Gemischs auszulösen.
  • Die beschriebene Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung wird auf eine bestimmte Weise gesteuert. Demzufolge bezieht die vorliegende Erfindung sich auch auf ein Verfahren zum Steuern des Komprimierens eines aus einem Brennstoff und Luft erzeugten Gemischs in der Brennkammer einer Brennkraftmaschine und Verbrennens dieses Gemischs zur Erzeugung einer Leistung.
  • Zu diesem Steuerverfahren gehören: ein erster Schritt zur Erzeugung eines ersten Luft/Brennstoffgemischs aus einem ersten Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis, um Selbstzünden des ersten Luft/Brennstoff-Gemischs durch Komprimieren in der Brennkammer zu verhindern, ein zweiter Schritt zum Einspritzen eines vom ersten Brennstoff sich unterscheidenden zweiten Brennstoffs in einen Teilbereich der Brennkammer, um ein zweites Luft/Brennstoff-Gemisch zu erzeugen, und ein dritter Schritt zum Zünden des zweiten Luft/Brennstoff-Gemischs, um das erste Luft/Brennstoff-Gemisch zu komprimieren und Selbstzünden dieses Gemischs auszulösen.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine die beschriebene Steuerung durchführende Einheit. Diese Einheit steuert das Komprimieren und Verbrennen des Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer, um eine Leistung zu erhalten.
  • Zu dieser Steuereinheit gehören: ein Modul zur Erzeugung eines ersten Gemischs aus einem ersten Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis, welcher das Selbstzünden des ersten Luft/Brennstoff-Gemischs beim Komprimieren in der Brennkammer verhindert, ein zweiter Modul zum Einspritzen eines vom ersten Brennstoff sich unterscheidenden zweiten Brennstoffs in einen Teilbereich der Brennkammer, um ein zweites Luft/Brennstoff-Gemisch zu erzeugen, und ein Modul zum Zünden des zweiten Luft/Brennstoff-Gemischs, um das erste Luft/Brennstoff-Gemisch zu komprimieren und Selbstzünden dieses Gemisch auszulösen.
  • Bei Anwendung des Steuerverfahrens und Nutzung der Steuereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung wird ein erstes Gemisch aus einem ersten Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis in der Brennkammer erzeugt, welches sich durch einfaches Komprimieren nicht selbst entzündet. Danach wird ein vom ersten Brennstoff sich unterscheidender zweiter Brennstoff in einen Teilbereich der Brennkammer gespritzt, um ein zweites Luft/Brennstoff-Gemisch zu erzeugen. Schließlich wird das zweite Luft/Brennstoff-Gemisch gezündet, um den Druck in der Brennkammer zu erhöhen, dadurch das erste Luft/Brennstoff-Gemisch zu komprimieren und Selbstzünden dieses Gemischs auszulösen.
  • Das erste Luft/Brennstoff-Gemisch entzündet sich durch einfaches Komprimieren in der Brennkammer nicht selbst. Der zweite Brennstoff unterscheidet sich vom ersten Brennstoff, so daß das Selbstzünden des in der Brennkammer erzeugten zweiten Luft/Brennstoff-Gemischs im Verlaufe des Komprimierens unter Bedingungen gesteuert werden kann, welche sich von den beim Zünden des ersten Luft/Brennstoff-Gemischs vorliegenden Bedingungen unterscheiden. Das zweite Luft/Brennstoff-Gemisch beginnt beim Zünden zu verbrennen und komprimiert das erste Luft/Brennstoff-Gemisch, bis dieses sich selbst entzündet. Das Steuern des Zündzeitpunktes des zweiten Luft/Brennstoff-Gemischs gewährleistet das Selbstzünden des ersten Luft/Brennstoff-Gemisch zum gewünschten Zeitpunkt. Dieses Steuern gewährleistet glattes Betreiben der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung unabhängig von den Antriebsbedingungen, ohne daß beim Selbstzünden des ersten Luft/Brennstoff-Gemischs Klopfen auftritt. Es ist bekannt, daß das Betreiben der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung durch Komprimieren und Selbstzünden des Luft/Brenn-stoff-Gemischs zur Verringerung der Emission von Schadstoffen und des Brennstoffverbrauch führt, und zwar unter jeden Bedingungen, worauf später näher eingegangen wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Erzeugung des zweiten Luft/Brennstoff-Gemisch Wasserstoff als zweiter Brennstoff eingespritzt. Der eingespritzte Wasserstoff mischt sich schnell mit Luft und gewährleistet zuverlässiges Zünden des zweiten Luft/Brennstoff-Gemischs.
  • Wasserstoffgas ist sehr leicht entzündbar, aber kaum durch Selbstzünden. Das als zweiter Brennstoff verwendete Wasserstoffgas ermöglicht somit zuverlässiges Zünden des zweiten Luft/Brennstoff-Gemisch und Selbstzünden des ersten Luft/Brennstoff-Gemischs zu einem gewünschten Zeitpunkt.
  • Ein weiteres charakteristisches Merkmal von Wasserstoffgas ist die kurze Zündverzögerung, welche die Zeit zwischen der Erzeugung des Zündfunkens und dem tatsächlichen Zünden repräsentiert. Selbst wenn durch variierende Erzeugungszustände des Luft/Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer die Zündverzögerung variiert, wird durch Verwendung von Wasserstoffgas als zweiter Brennstoff der Zündzeitpunkt des zweiten Luft/Brennstoff-Gemischs nicht wesentlich geändert. Mit anderen Worten, Wasserstoffgas gewährleistet das Selbstzünden des komprimierten ersten Luft/Brennstoff-Gemisch zum gewünschten Zeitpunk.
  • Bei der beschriebenen Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung kann unter Bedingungen, welche kein Klopfen verursachen, das erste Gemisch aus dem ersten Brennstoff und Luft beim Komprimieren sich selbst entzünden, ohne daß zweiter Brennstoff eingespritzt wird. In diesem Fall wird das von der Brennkraftmaschine erzeugte Drehmoment erfaßt. Wenn das erfaßte Drehmoment kleiner ist als ein bestimmte Grenzwert, wird in der Brennkammer anstatt des ersten Brennstoff/Luft-Gemischs ein drittes Brennstoff/Luft-Gemisch erzeugt. Das dritte Brennstoff/Luft-Gemisch ist ein Gemisch aus dem ersten Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis, welches sich durch einfaches Komprimieren in der Brennkammer selbst entzündet. Wenn kein zweiter Brennstoff eingespritzt wird, kann das in der Brennkammer erzeugte Luft/Brennstoff-Gemisch nicht gezündet werden.
  • Wenn nur ein kleines Drehmoment erforderlich ist, tritt kaum Klopfen auf. In diesem Fall erfolgt das Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer ohne Einspritzen des zweiten Brennstoffs. Dadurch wird zweiter Brennstoff eingespart. Wenn das Gemisch aus erstem Brennstoff und Luft sich selbst entzündet, ist das Zünden des Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer nicht erforderlich.
  • Bei der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung wird zur Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs der zweite Brennstoff direkt in die Brennkammer gespritzt, und zwar während des Kompressionshubs des Kolbens vorzugsweise zu einem geeigneten Zeitpunkt zwischen 30° als Drehwinkel der Kurbelwelle vor dem oberen Totpunkt, an welchem der Kolben nach dem Komprimieren des Luft/Brennstoff-Gemischs die Maximalhöhe erreicht, und dem oberen Totpunkt selbst.
  • Da der direkt eingespritzte Wasserstoff sich schnell mit Luft vermischt, wird die Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs erleichtert, so daß der genannte Einspritzzeitpunkt sich als geeignet herausgestellt hat.
  • Der Kolben dieser Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung kann an der Oberseite mit einer Ausnehmung versehen werden, in welcher von dem in die Brennkammer direkt gespritzten zweiten Brennstoff das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird.
  • Diese Ausnehmung verhindert effektiv das Ausbreiten des erzeugten zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs über die gesamte Brennkammer. Dadurch wird zuverlässiges Zünden des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs gewährleistet.
  • Die Ausnehmung kann im wesentlichen in der Mitte der Kolbenfläche angeordnet werden.
  • In diesem Fall wird das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch auch im wesentlichen in der Mitte der Brennkammer erzeugt. Da der Zündmodul ebenfalls in der Mitte der Brennkammer angeordnet ist, erfolgt das Zünden des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs ebenfalls an dieser Stelle. Durch Anordnen der Ausnehmung im wesentlichen in der Mitte der oberen Kolbenfläche wird das Konfigurieren der Brennkammer erleichtert.
  • Die Ausnehmung kann so eingebracht werden, daß der Übergang von dieser zur Kolbenoberseite teilweise eine scharfe Kante bildet. Diese teilweise scharfe Kante verhindert das Ausbreiten des in der Ausnehmung erzeugten zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs über die gesamte Brennkammer, so daß dieses effektiv gezündet werden kann.
  • An einer Innenfläche der Brennkammer kann eine der Ausnehmung an der Kolbenoberseite gegenüber liegende zweite Ausnehmung erzeugt werden. Im Raum zwischen diesen beiden Ausnehmungen wird beim Aufwärtsbewegen des Kolbens das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch erzeugt, so daß dieses effektiv gezündet werden kann.
  • Die Oberseite des Kolbens kann vorzugsweise auch mit einer Nut versehen werden, welche den direkt in die Brennkammer gespritzten zweiten Brennstoff in die Ausnehmung leitet. Dadurch kann das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch noch effektiver erzeugt und gezündet werden.
  • Bei der Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung kann der zweite Brennstoff zur Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs zu einem bestimmten Zeitpunkt in bezug auf den Zündzeitpunkt in die Brennkammer gespritzt werden.
  • Dieser konstant gehaltene Zeitabstand zwischen dem Einspritzzeitpunkt und dem Zündzeitpunkt gewährleistet zuverlässiges Zünden des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs durch den Zündmodul.
  • In einem bevorzugten Fall wird ein den Zündzeitpunkt verzögernder Faktor erfaßt. Dieser Faktor ist zum Beispiel die Häufigkeit von Klopferscheinungen oder die Konzentration an Stickoxiden in dem aus der Brennkammer ausgestoßenen Abgas. Wenn Klopfen einen bestimmten Zulässigkeitspegel überschreitet, wird der Zündzeitpunkt des zweiten Brennstoff/Luft-Brennstoff-Gemischs und vorzugsweise auch der Zeitpunkt für das Einspritzen des zweiten Brennstoffs verzögert.
  • Wenn das Zünden des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs zu zeitig erfolgt und dadurch Klopfen auftritt oder eine zu hohe Stickoxidkonzentration im Abgas zu verzeichnen ist, wird der Zündzeitpunkt verzögert. Durch Verzögerung des Zeitpunktes für das Einspritzen des zweiten Brennstoffs und Verzögerung des Zündzeitpunktes kann das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch effektiv gezündet werden, so daß weder Klopfen auftritt noch zu viele Stickoxide erzeugt werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung wird der erste Brennstoff zur Erzeugung des ersten Brennstoff/Luft-Gemischs vorzugsweise in den vor dem Einlaßventil liegenden Abschnitt des Lufteinlaßkanals, der zweite Brennstoff zur Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs in die Brennkammer gespritzt.
  • Das Einspritzen des ersten Brennstoffs in den vor dem Einlaßventil liegenden Abschnitt des Einlaßkanals ist einfacher als das Einspritzen dieses Brennstoffs in die Brennkammer und erleichtert die Erzeugung des ersten Brennstoff/Luft-Gemischs in dieser.
  • Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung ist mit einem im Abgasrohr angeordneten von den Abgasen durchströmten Katalysator ausgerüstet, in welchem die Schadstoffe im Abgas umgewandelt werden.
  • Da dieser Katalysator bei niedriger Temperatur nicht in der Lage ist, die Schadstoffe effektiv in unschädliche Stoffe umzuwandeln, wird in den vor diesem liegenden Abschnitt des Abgasrohrs zweiter Brennstoff eingespritzt und gezündet, um diesen anzuwärmen und die gewünschte Schadstoffumwandlung zu gewährleisten.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann zwischen dem Zweitakt-Modus und dem Viertakt-Modus geschaltet werden. Diese Brennkraftmaschine ist ausgerüstet mit: einem Mechanismus, welcher die Kurbelwelle in Drehung setzt, um den mit dieser verbundenen Kolben aufwärts zu bewegen und dabei das Luft/Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer zu komprimieren, einem Einlaßventil und einem Auslaßventil, welche synchron zur Kurbelwellendrehung betätigt werden und den Einlaßkanal bzw. den Auslaßkanal öffnen und schließen, und einem Um schaltmodul, welcher den Öffnungszeitpunkt und den Schließzeitpunkt des Einlaßventils und des Auslaßventils ändert und dadurch Antriebsmodus der Brennkraftmaschine, d.h. zwischen dem Zweitakt-Modus und dem Viertakt-Modus umschaltet. Bei einer bevorzugten Anordnung wird die Drehzahl der Kurbelwelle gemessen. Wenn die gemessene Drehzahl unter einem bestimmten Grenzwert liegt, wird die Brennkraftmaschine im Viertakt-Modus betrieben. Wenn die Drehzahl den vorbestimmten Grenzwert überschreitet, schaltet der Umschaltmodul die Brennkraftmaschine in den Zweitakt-Modus.
  • Beim Betreiben der Brennkraftmaschine im Zweitakt-Modus entzündet das Luft/Brennstoff-Gemisch sich relativ leicht und es wird ein größeres Drehmoment erzeugt. Im Zweitakt-Modus ist das Erreichen einer hohen Drehzahl aber schwierig. Mit dem Schalten zwischen dem Zweitakt-Modus und dem Viertakt-Modus kann die Brennkraftmaschine bei hohen Drehzahlen betrieben werden, während das Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs erleichtert wird.
  • Bei dieser Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung können das Einlaßventil und das Auslaßventil elektrisch betätigt werden. Zum Betätigen des Einlaßventils und des Auslaßventils werden diese entweder mit elektrischem Strom gespeist oder es wird die Stromzuführung zu diesen unterbrochen.
  • Das Betätigen des Einlaßventils und des Auslaßventils auf die beschriebene Weise zu einem geeigneten Zeitpunkt synchron zur Kurbelwellendrehung ermöglicht das Umschalten zwischen dem Zweitakt-Modus und dem Viertakt-Modus der Brennkraftmaschine.
  • Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlicher zu erkennen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Brennkraftmaschine mit Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Die 2A, 2B und 2C zeigen die Konstruktion der Brennkammer in der Brennkraftmaschine der ersten Ausführungsform.
  • 3 zeigt im Flußplan das Programm zur Steuerung der Brennkraftmaschine der ersten Ausführungsform.
  • 4 zeigt schematisch eine Tafel, auf welcher der Schwachlastbereich und der Starklastbereich in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl und vom Zieldrehmoment gespeichert sind.
  • 5 zeigt schematisch Tafeln, auf welchen die Brennstoffeinspritzmenge bzw. die Luftansaugmenge für den Schwachlastbereich gespeichert ist.
  • 6 zeigt schematisch im Blockschaltbild die Grundkonzeption zur Erzeugung eines Luft/Brennstoff-Gemischs im Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem.
  • 7 zeigt schematisch Tafeln, auf welchen die Brennstoffeinspritzmenge, die Luftansaugmenge bzw. die Wasserstoffeinspritzmenge für den Starklastbereich gespeichert ist.
  • Die 8A, 8B und 8C zeigen schematisch das Komprimieren und automatische Zünden des Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer unter Schwachlastbedingungen.
  • Die 9A, 9B und 9C zeigen schematisch das Komprimieren und automatische Zünden des Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer unter Starklastbedingungen.
  • 10 zeigt den Einspritzzeitpunkt für den Brennstoff und den Zündzeitpunkt in bezug auf den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens des Einlaßventil und des Auslaßventils unter Starklastbedingungen.
  • 11 zeigt schematisch die Erzeugung eines Kraftstoff/Luft-Gemischs und eines Wasserstoff/Luftgemischs in der Brennkammer.
  • 12 zeigt schematisch das Komprimieren und automatische Zünden des Kraftstoff/Luft-Gemischs durch Verbrennung des Wasserstoff/Luft-Gemischs.
  • 13 zeigt die Bereiche, in welchen das Einlaßventil und das Auslaßventil geöffnet und geschlossen werden.
  • Die 14A und 14B zeigen die Konstruktion der Brennkammer einer Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Modifikation der ersten Ausführungsform.
  • Die 15A und 15B zeigen die Bereiche, in welchen das Einlaßventil und das Auslaßventil geöffnet und geschlossen werden, und den Brennstoffeinspritzzeitpunkt bei der Brennkraftmaschine der modifizierten ersten Ausführungsform.
  • Die 16A und 16B zeigen die Konstruktion der Brennkammer einer Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Modifikation der ersten Ausführungsform.
  • Die 17A und 17B zeigen die Konstruktion der Brennkammer einer Brennkraftmaschine gemäß einer dritten Modifikation der ersten Ausführungsform.
  • 18 zeigt schematisch den Aufbau einer Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 19 zeigt die Auswahl zwischen dem Viertakt-Modus und dem Zweitakt-Modus bei der Brennkraftmaschine der zweiten Ausführungsform.
  • 20 zeigt die Bereiche, in welchen das Einlaßventil und das Auslaßventil geöffnet und geschlossen werden, den Brennstoffeinspritzzeitpunkt und den Zündzeitpunkt synchron zur Kolbenbewegung im Viertakt-Modus.
  • 21 zeigt die Bereiche, in welchen das Einlaßventil und das Auslaßventil geöffnet und geschlossen werden, und den Brennstoffeinspritzzeitpunkt synchron zur Kolbenbewegung im Zweitakt-Modus unter Schwachlastbedingungen.
  • 22 zeigt die Bereiche, in welchen das Einlaßventil und das Auslaßventil geöffnet und geschlossen werden, den Brennstoffeinspritzzeitpunkt und den Zündzeitpunkt synchron zur Kolbenbewegung im Zweitakt-Modus unter Starklastbedingungen.
  • 23 zeigt die jeweiligen Zeitpunkte im Viertakt-Modus beim Direkteinspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer
  • Die 24A und 24B zeigen die jeweiligen Zeitpunkte im Zweitakt-Modus beim Direkteinspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
    • A. Erste Ausführungsform A-1. Systemaufbau A-2. Maschinensteuerung A-3. Steuerung der Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs bei der ersten Ausführungsform A-4. Modifikationen
    • B. Zweite Ausführungsform B-1. Systemaufbau B-2. Steuerung der Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs bei der zweiten Ausführungsform
  • A. Erste Ausführungsform
  • A-1. Systemaufbau
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau der Brennkraftmaschine 10 mit Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Brennkraftmaschine 10 der ersten Ausführungsform ist eine Viertaktmaschine, bei welcher das Luft/Brennstoff-Gemisch in einer Brennkammer verbrannt und die Ausgangsleistung durch Wiederholung der vier Takte Ansaugen, Komprimieren, Ausdehnen und Auslassen erhalten wird. In 1 ist die Maschine 10 als Schnittansicht dargestellt, wobei der Schnitt im wesentlichen durch die Mitte der Brennkammer geführt wurde. An der Oberseite des Zylinderblockes 140 der Maschine 10 ist ein Zylinderkopf 130 befestigt. Der Zylinderblock 140 ist mit einer zylindrischen Bohrung 142 versehen, in welcher ein Kolben 144 vertikal gleitet. Der durch die Zylinderbohrung 142, den Kolben 144 und die untere Fläche des Zylinderkopfes 130 definierte Raum ist die Brennkammer. Der Kolben 144 ist über eine Pleuelstange 148 mit der Kurbelwelle 148 verbunden und gleitet bei der Drehbewegung der Kurbelwelle 148 vertikal in der Zylinderbohrung 142.
  • Im Zylinderkopf 130 mit eingeschraubter Zündkerze 136 ist ein Luftansaugkanal 12 und ein Abgaskanal 16 für das in der Brennkammer erzeugte Verbrennungsgas angeschlossen. Im Zylinderkopf 130 sind ein Einlaßventil 132 und ein Auslaßventil 134 angeordnet. Das Einlaßventil 132 und das Auslaßventil 134 werden synchron zu Bewegung des Kolbens 144 von je einem Nockenmechanismus betätigt, um den Einlaßkanal 12 und den Auslaßkanal 16 zu öffnen und zu schließen.
  • Im Ansaugrohr 12 ist ein mit einem Filter zum Zurückhalten der in der Ansaugluft enthaltenen Fremdstoffe bestückter Luftreiniger 20 angeordnet. Die angesaugte Luft strömt durch den Filter, wird dabei von Fremdstoffen gereinigt und gelangt schließlich in die Brennkammer der Brennkraftmaschine 10. Im Ansaugrohr 12 ist auch ein Drosselventil 22 angeordnet, welches zum Regulieren der Menge der in die Brennkammer strömenden Luft von einem elektrischen Betätigungselement 24 entsprechend gesteuert wird.
  • Die Brennkraftmaschine dieser Ausführungsform hat zwei Brennstoffeinspritzventile, wobei das Einspritzventil 15 im Einlaßkanal 12, das Einspritzventil 14 im Zylinderkopf 130 angeordnet ist. Durch das Einspritzventil 15 wird Kraftstoff in den Einlaßkanal 12, durch das im Zylinderkopf 130 angeordnete Einspritzventil 14 Wasserstoff in die Brennkammer gespritzt. Das Wasserstoffgas wird unter Druck in einem Be hälter 170 gespeichert. Vor dem Einspritzen des Wasserstoffgases in die Brennkammer wird von einem Druckregler 172 dessen Druck auf eine bestimmte Größe reduziert. Der Kraftstoff wird von einer nicht dargestellten Pumpe aus einem nicht dargestellten Kraftstoffbehälter angesaugt und dem Einspritzventil 15 zugeführt. Bei dieser Ausführungsform wird das Wasserstoffgas durch das Einspritzventil 14 in die Brennkammer gespritzt. Durch das Einspritzventil 14 kann aber auch ein vom Kraftstoff sich unterscheidender gasförmiger Brennstoff wie Methan, Äthan, Propan und Erdgas oder ein flüssiger Brennstoff eingespritzt werden, wobei diese Beispiele nicht zum Geltungsbereich der beiliegenden Ansprüche gehören. Bevorzugte Beispiele von flüssigem Brennstoff sind alkoholische Brennstoffe wie Methanol und Äthanol. Diese Brennstoffe haben höhere Oktanzahlen als Kraftstoffe und entzünden sich durch Kompression nicht problemlos automatisch.
  • Im hinteren Abschnitt des Abgasrohres 16 ist ein Katalysator 26 zum Umwandeln der im Abgas enthaltenen Verunreinigungen angeordnet. Wie später näher beschrieben, wird durch das Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem die Gesamtkonzentration der im Abgas enthaltenen Verunreinigungen stark verringert. Der im Abgasrohr 16 angeordnete Katalysator 26 beseitigt im wesentlichen alle Verunreinigen, welche noch in geringen Mengen im Abgas enthalten sind. Wenn nach dem Starten der Brennkraftmaschine 10 der Katalysator 26 die erforderliche Temperatur noch nicht erreicht hat, kann dieser die im Abgas enthaltenen Verunreinigungen nicht effektiv umwandeln. Deshalb sind im Abgasrohr 16 vor dem Katalysator 26 ein Brennstoffeinspritzventil 17 und eine Zündkerze 137 angeordnet. Der durch das Brennstoffeinspritzventil 17 eingespritzte gasförmige Brennstoff wird von der Zündkerze 137 gezündet und erhöht die Temperatur des Katalysators 26 sehr schnell, um eine effektive Beseitigung der Verunreinigungen zu gewährleisten. Die Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuereinheit (nachfolgend ECU genannt) 30 gesteuert. Die ECU 30 ist ein bekannter Mikrocomputer mit einem RAM, einem ROM, einem A/D-Wandler und einem D/A-Wandler, welche über einen Bus miteinander gekoppelt sind. Die ECU 30 erfaßt die Maschinendrehzahl Ne und den Beschleunigeröffnungsgrad θac und öffnet auf der Grundlage der erfaßten Werte das Drosselventil 22 entsprechend. Die Maschinendrehzahl Ne wird von einem an einem Ende der Kurbelwelle 148 angeordneten Kurbelwinkelsensor 32, der Beschleunigeröffnungsgrad θac von einem im Beschleunigerpedal angeordneten Sensor 34 gemessen. Die ECU 30 steuert auch die Brennstoffeinspritzventile 14, 15 und 17 und die Zündkerzen 136 und 137. Außerdem erfaßt die ECU 30 den vom Drucksensor 174 gemessenen Druck des zum Brennstoffeinspritzventil 14 strömenden Wasserstoffgases und regelt diesen auf einen konstanten Wert. Die ECU 30 erfaßt auch aus den Signalen des im Zylinderblock 140 angeordneten Klopfsensor 25 das Auftreten von Klopfgeräuschen. Der Klopfsensor 25 mißt die aus dem Klopfen in der Brennkammer resultierenden Schwingungen einer im Zylinder 142 aufsteigenden Luftsäule und erkennt aus der Resonanz das Klopfen der Maschine. Der Klopfsensor 25 kann durch einen entweder im Zylinderblock 140 oder im Zylinderkopf 130 angeordneten, den Druck in der Brennkammer erfassenden Drucksensor 23 ersetzt werden. Wenn anstatt des Klopfsensors 25 der Drucksensor 23 verwendet wird, erfaßt die ECU 30 den von diesem in der Brennkammer gemessenen Druck, errechnet daraus die Druckerhöhungsrate in dieser und ermittelt somit, daß ein Klopfen auftritt.
  • Die ECU 30 liest auch die Signale von dem im Abgasrohr 16 vor dem Katalysator 26 angeordneten NOx-Sensor 21 und ermit telt daraus die Konzentration der im Abgas enthaltenen Stickoxide.
  • Wie aus 1 hervor geht, ist das Brennstoffeinspritzventil 14 an der Luftansaugseite der Maschine angeordnet, kann aber auch an deren Abgasseite angeordnet werden. Wenn das Brennstoffeinspritzventil 14 an der Luftansaugseite der Maschine angeordnet ist, strömt das Abgas nicht über dieses, so daß dessen Temperatur nicht ansteigt. Der Auslaßkanal in der Maschine hat einen kleineren Querschnitt als der Einlaßlaßkanal in dieser und kann vielfältiger konfiguriert werden. Wenn das Brennstoffeinspritzventil 14 an der Abgasseite der Maschine angeordnet wird, kann dieses deshalb an einer geeigneten Stelle positioniert werden.
  • 2 zeigt die Konstruktion der Brennkammer in der Brennkraftmaschine 10. In 2A ist die Schnittansicht der Brennkammer dargestellt. Wie aus 2A hervor geht, ist die Oberseite des Kolbens 144 mit einer Nut 143 und einer Ausnehmung 145 versehen, welche den Strom des durch das Brennstoffeinspritzventil 14 eingespritzten Wasserstoffgases in Richtung Zündkerze 136 lenken. 2B zeigt die Draufsicht des Kolbens 144 als Bestandteil der Brennkammer von der Zylinderkopfseite aus gesehen. In 2B sind das Brennstoffeinspritzventil 14 und die Zündkerze 136 im Zylinderkopf 130, das Brennstoffeinspritzventil 14, das Einlaßventil 132 und das Auslaßventil 134 dünn gestrichelt dargestellt, um die positionelle Beziehung zwischen diesen und der Nut 143 sowie der Ausnehmung 145 an der Kolbenoberseite besser zu erkennen. Die Ausnehmung 145 an der Kolbenoberseite befindet sich der Anordnungsposition der Zündkerze 136 gegenüber, die gleichmäßig in die Ausnehmung 145 mündende Nut 144 im wesentlichen der Anordnungsposition des Brennstoffeinspritzventils 14 gegenüber. 2C zeigt vergrö ßert den Querschnitt der Ausnehmung 145 an der Oberseite des Kolbens 144. Wie aus 2C hervor geht, ist der Übergang von der Ausnehmung 145 zur Außenfläche des Kolbens teilweise scharfkantig. Der Übergangsabschnitt hat im wesentlichen Halbkreisform. Mit anderen Worten, die Ausnehmung 145 hat eine spezielle Form mit verringertem Querschnitt an der Übergangsstelle zur Außenfläche des Kolbens 144.
  • A-2. Maschinensteuerung
  • Bei der beschriebenen Brennkraftmaschine 10 wird das Komprimieren und Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer von der ECU 30 gesteuert. Das von der ECU 30 durchgeführte Programm zur Maschinensteuerung ist in 3 im Flußplan dargestellt.
  • In Schritt S100 dieses Steuerprogramms wird von der ECU 30 aus dem vom Sensor 34 gemeldeten Beschleunigeröffnungsgrad θac das von der Brennkraftmaschine zu erzeugende Zieldrehmoment berechnet. Wenn eine Erhöhung des Zieldrehmoments sich erforderlich macht, wird vom Fahrzeugführer das Beschleunigerpedal weiter durchgetreten. Wenn aber kein Drehmoment erforderlich ist, nimmt der Fahrzeugführer den Fuß vom Beschleunigerpedal. Somit wird angenommen, daß der Betätigungsweg des Beschleunigerpedals das vom Fahrzeugführer gewünschte Drehmoment repräsentiert. Auf der Grundlage dieses Prinzips wird in Schritt S100 aus dem ermittelten Beschleunigeröffnungsgrad θac das von der Brennkraftmaschine 10 zu erzeugende Zieldrehmoment berechnet. Danach wird in Schritt S102 von der ECU 30 die Maschinendrehzahl Ne erfaßt. Die Maschinendrehzahl Ne kann aus dem vom Kurbelwinkelsensor 32 gesendeten Signal berechnet werden.
  • Nach dem Berechnen des Zieldrehmomentes und dem Erfassen der Maschinendrehzahl Ne gibt in Schritt S104 die ECU 30 wie nachfolgend beschrieben den Steuermodus vor. Wie bereits erwähnt, hat das Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem die Vorteile, daß weniger Verunreinigungen emittiert werden und weniger Brennstoff benötigt wird. Eine stärkere Belastung der Maschine führt aber noch zum Auftreten von Klopfgeräuschen. Um diese zu verhindern, wird bei hoher Belastung der Brennkraftmaschine 10 der ersten Ausführungsform nahe dem oberen Kompressionstotpunkt Wasserstoffgas in die Brennkammer gespritzt und gezündet, damit das in der Brennkammer entstandene Luft/Brennstoff-Gemisch sich selbst entzündet. Darauf wird später näher eingegangen. In Schritt S104 wird in Abhängigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine 10 entweder der Wasserstoffgaszuführ-Steuermodus, welcher das Klopfen verhindert, oder der Standardmodus, d.h. der Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungs-Modus ausgewählt. Ein konkretes Beispiel dafür ist die Auswahl eines Steuermodus für Schwachlastbedingungen oder eines Steuermodus für Starklastbedingungen auf der Grundlage der vorher in den ROM der ECU 30 eingegebenen Tafel, auf welcher die Maschinendrehzahl und das Zieldrehmoment aufgetragen sind. Bei Schwachlastbedingungen wird der Standardsteuermodus, d.h. die Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennung, bei Starklastbedingungen der das Klopfen verhindernde Wasserstoffgaszuführ-Steuermodus vorgegeben. 4 zeigt schematisch eine solche im ROM der ECU 30 gespeicherte Tafel.
  • Nach Vorgabe des Steuermodus in Schritt S104 werden dann in Schritt S106 von der ECU 30 die in die Brennkammer einzuspritzende Brennstoffmenge und die Luftansaugemenge bestimmt. Die Brennstoffeinspritzmenge und die Luftansaugemenge werden der entsprechenden Tafel für Schwachlastbedingungen bzw. Starklastbedingungen entnommen.
  • 5 zeigt schematisch zwei Tafeln für Schwachlastbedingungen, eine Tafel für die Brennstoffeinspritzmenge und eine Tafel für die Luftansaugmenge. Auf diesen Tafeln sind die Brennstoffeinspritzmenge und die Luftansaugmenge als Funktion der Maschinendrehzahl und des Zieldrehmoments aufgetragen.
  • Nachfolgend wird anhand der 5 und 6 der Grundgedanke zum Einstellen der Luftansaugmenge und der Brennstoffeinspritzmenge bzw. zur Erzeugung eines Luft/Brennstoff-Gemischs im Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem kurz beschrieben. Im Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem wird zuerst das von der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung geforderte Drehmoment vorgegeben. Daraus wird die dafür erforderliche Brennstoffmenge ermittelt. Durch Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer steigt der Druck in dieser und wird in ein Drehmoment umgewandelt. Wie aus der entsprechenden der in 5 dargestellten Tafeln hervor geht, ist die Größe des Drehmoments praktisch von der Brennstoffmenge abhängig, so daß aus dem erforderlichen Drehmoment die erforderliche Brennstoffmenge ermittelt wird. Aus dieser wird die erforderliche Luftmenge bestimmt. Brennstoff und Luft müssen in einem bestimmten Verhältnis miteinander vermischt werden. Dieses Gemisch wird in der Brennkammer komprimiert und dadurch gezündet. Daraus ergibt sich das erforderliche Drehmoment.
  • Auf der Grundlage der in 6 dargelegten Grundidee wurden die entsprechenden Werte experimentell ermittelt und daraus die in 5 dargestellten Tafeln entwickelt. Die Tafeln für Schwachlastbedingungen werden bei kleinen Drehmomenten herangezogen. Für Schwachlastbedingungen, d.h. bei nur kleinen Drehmomenten gilt ab einem bestimmten Drehmoment die in den Tafeln gemäß 5 aufgetragene Brennstoffein spritzmenge bzw. Luftansaugmenge. Wenn während der Steuerung bei Schwachlastbedingungen aus bestimmten Gründen höhere Zieldrehmomente erforderlich sind, bleiben die Brennstoffeinspritzmenge und die Luftansaugmenge auf die eingetragenen Werte begrenzt, um Klopfen zu verhindern.
  • 7 zeigt schematisch die für den Starklastbereich entwickelten Tafeln, eine für die Brennstoffeinspritzmenge, eine für die Luftansaugmenge und eine zusätzliche für die Wasserstoffeinspritzmenge jeweils als Funktion der Maschinendrehzahl und des Zieldrehmoments. Die Werte auf diesen Tafeln wurden ebenfalls auf der Grundlage der in 6 dargelegten Grundidee experimentell ermittelt.
  • Zurückkehrend zu 3 wird in Schritt S106 auf die entsprechende Tafel bezug genommen, um für den Schwachlastbereich die Luftansaugmenge und die Brennstoffeinspritzmenge, für den Starklastbereich die Luftansaugmenge, die Brennstoffeinspritzmenge und die Wasserstoffzuführmenge zu bestimmen.
  • Nach dem Bestimmen der Luftansaugmenge und der Brennstoffeinspritzmenge (und zusätzlich der Wasserstoffzuführmenge bei Starklastdingungen) geht der Ablauf zu Schritt S108 über, damit die ECU 30 den Öffnungsgrad des Drosselventils 22 reguliert und die ermittelte Luftmenge in die Brennkammer gesaugt wird. Das Regulieren des Öffnungsgrades des Drosselventils 22 kann auf verschiedene Weise erfolgen. Bei einem bekannten Verfahren wird von einem im Ansaugrohr 12 angeordneten Luftstromsensor die angesaugte Luftmenge gemessen und von der ECU 30 auf der Grundlage des Meßwertes der Öffnungsgrad des Drosselventils 22 entsprechend reguliert, um die gewünschte Luftmenge anzusaugen. Bei einem anderen Verfahren wird ein solcher Sensor nicht verwendet, sondern der Druck hinter dem Drosselventil 22 im Ansaugrohr 12 gemessen und aus dem Meßwert die Luftansaugmenge berechnet. Bei einem einfachen Verfahren wird der entsprechenden Tafel die Maschinendrehzahl entnommen und auf der Grundlage dieser der Öffnungsgrad des Drosselventils 22 eingestellt, um die gewünschte Luftansaugmenge zu erhalten.
  • Danach wird von der ECU 30 in Schritt S110 das Brennstoffeinspritzen gesteuert. Das Steuern des Brennstoffeinspritzens erfolgt auf der Grundlage der in Schritt S106 ermittelten Brennstoffmenge, welche zum gewünschten Zeitpunkt synchron zur Bewegung des Kolbens 144 in die Brennkammer gespritzt wird. Auf Details dieser Brennstoffeinspritzsteuerung wird anhand der entsprechenden Zeichnungen später näher eingegangen.
  • Nach Durchführung der Brennstoffeinspritzsteuerung wird in Schritt S112 von der ECU 30 bestimmt, ob der momentane Steuermodus für Starklastbedingungen abläuft. Wenn das der Fall ist, d.h. in Schritt S112 eine positive Antwort erhalten wird, geht der Ablauf zu Schritt S114 und dann zu Schritt S116 über, damit die ECU 30 das Einleiten von Wasserstoffgas durch das Brennstoffeinspritzventil 14 in die Brennkammer zum geeigneten Zeitpunkt und das Zünden des eingespritzten Wassergases durch die Zündkerze 136 zum geeigneten Zeitpunkt steuert. Auf Details dieser Steuerung wird anhand der entsprechenden Zeichnungen später näher eingegangen. Wenn die Steuerung bei Schwachlastbedingungen abläuft, d.h. in Schritt S112 eine negative Antwort erhalten wird, werden die Schritte S114 und S116 übersprungen, so daß das in die Brennkammer gesaugte Luft/Brennstoff-Gemisch sich durch die vom Kolben 144 bewirkte Kompression selbst entzündet.
  • Durch das Verbrennen des Luft/Brennstoff-Gemischs wird der Druck in der Brennkammer abrupt erhöht und dadurch der Kolben 144 nach unten gedrückt. Die Kraft, welche den Kolben 144 nach unten drückt, wird über die Pleuelstange 146 auf die Kurbelwelle 148 übertragen und von dieser in ein Drehmoment als Ausgangsleistung umgewandelt.
  • Danach geht der Ablauf zu Schritt S118 über, damit die ECU 30 bestimmt, ob die Brennkraftmaschine 10 gestoppt werden soll. Wenn das nicht der Fall ist, kehrt der Ablauf zu Schritt S100 zurück, so daß die beschriebene Verarbeitung wiederholt wird. Wenn die Brennkraftmaschine 10 aber gestoppt werden soll, wird das Steuerprogramm beendet. Die Brennkraftmaschine 10 wird von der ECU 30 nach dem in 3 dargestellten Programm gesteuert und erzeugt das vom Fahrzeugführer vorgegebene Drehmoment.
  • A-3. Steuerung der Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs bei der ersten Ausführungsform
  • Das Programm zum Steuern der Brennkraftmaschine beinhaltet das Steuern des Brennstoffeinspritzens, des Einleitens von Wasserstoffgas und des Zündens, um das in die Brennkammer gesaugte Luft/Brennstoff-Gemisch wie nachfolgend beschrieben zu verbrennen. Die Verbrennung in der Brennkraftmaschine 10 der ersten Ausführungsform wird so gesteuert, daß die Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs abläuft und selbst unter Starklastbedingungen kein Klopfen auftritt.
  • Nachfolgend wird anhand der 8A, 8B und 8C das Komprimieren und Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs unter Schwachlastbedingungen beschrieben. Wie aus 8A hervor geht, wird durch Abwärtsbewegen des Kolbens 144 im Ansaughub ein Luft/Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer ge saugt. Bei der Brennkraftmaschine 10 ist das Brennstoffeinspritzventil 15 im Einlaßkanal 12 angeordnet (siehe 1). Das Einspritzen von Brennstoff durch das Einlaßventil 15 in die angesaugte Luft erfolgt zum geeigneten Zeitpunkt entsprechend Schritt S110. Vor der in Schritt S110 durchgeführten Steuerung wird in Schritt S106 die einzuspritzende Brennstoffmenge bestimmt. Das Brennstoffeinspritzen in die angesaugte Luft erfolgt zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Schließen des Einlaßventils 132. Da zu diesem Zeitpunkt das Einlaßventil 132 geschlossen ist, verdampft der in die angesaugte Luft gespritzte Brennstoff und vermischt sich mit dieser im Einlaßkanal 12. Mit Beginn des nächsten Luftansaugzyklus wird das im Einlaßkanal 12 erzeugte Gemisch aus verdampftem Brennstoff und Luft als Luft/Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer gesaugt, wie aus 8A hervor geht.
  • Wenn der Kolben 144 die unterste Stellung erreicht, wird das Einlaßventil 132 geschlossen. Bei der nun folgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens 144 wird das Luft/Brennstoff-Gemisch komprimiert. Die unterste Stellung des Kolbens 144 wird generell als unterer Totpunkt bezeichnet. Mit dem Komprimieren des Luft/Brennstoff-Gemischs bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens, dargestellt in 8B, steigt der Druck und dadurch die Temperatur in der Brennkammer. Wenn der Kolben 144 die als oberer Totpunkt bezeichnete oberste Stellung erreicht, ist die Temperatur so stark angestiegen, daß das gesamte Luft/Brennstoff-Gemisch sich selbst entzündet. Nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens 144 hat das gesamte Luft/Brennstoff-Gemisch sich im wesentlichen simultan selbst entzündet. Wie später näher beschrieben, setzt mit dem Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs praktisch gleichzeitig die Verbrennung ein, so daß die Emission von Verunreinigungen und der Brennstoffverbrauch wesentlich gesenkt werden.
  • Beim Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem entzündet das Luft/Brennstoff-Gemisch sich in der Brennkammer und verbrennt praktisch gleichzeitig mit dem Zünden. Das heißt, daß bei Starklastbedingungen (Erzeugung eines großen Drehmoments) die Brennkraftmaschine 10 stark klopft. Wenn zur Erzeugung eines großen Drehmomentes eine große Luft- und Brennstoffmenge in die Brennkammer gesaugt wird, steigt bei Beendigung des Luftansaugzyklus der Druck in dieser. Mit dem Schließen des Einlaßventils 132 bei Beginn der Aufwärtsbewegung des Kolbens 144 erfolgt das Komprimieren des Luft/Brennstoff-Gemischs unter hohem Druck. Im Gegensatz zum Betreiben der Brennkraftmaschine 10 unter Schwachlastbedingungen steigen der Druck und die Temperatur des Luft/Brennstoff-Gemischs schneller, so daß das im nachfolgenden Kompressionshub erfolgte Selbstzünden starkes Klopfen verursacht. Bei Starklastbedingungen wird die nachfolgend beschriebene spezielle Steuerung der Brennkraftmaschine 10 durchgeführt, um eine gleichmäßige Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennung ohne starkes Klopfen zu erreichen.
  • Die 9A bis 9C zeigen schematisch das Komprimieren, Selbstzünden und Verbrennen des Luft/Brennstoff-Gemischs unter Starklastbedingungen. Wie aus 9A hervor geht, wird bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 144 während des Luftansaughubs das Luft/Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer gesaugt. Der Ablauf bei Starklastbedingungen ist im wesentlichen ähnlich dem bei Schwachlastbedingungen wie oben beschrieben. Bei Starklastbedingungen wird jedoch ein Luft/Brennstoff-Gemisch mit Luftüberschuß eingestellt, um Klopfen zu verhindern. Ein Luft/Brennstoff-Gemisch mit Luftüberschuß zündet aber schwer, so daß das Selbstzünden bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 144 verhindert wird.
  • Das Luftüberschußverhältnis ist ein Index für das Verhältnis von Brennstoff zu Luft im Luft/Brennstoff-Gemisch. Das ebenfalls viel verwendete Luft/Brennstoff-Verhältnis als ein weiterer Index für das Verhältnis Brennstoff zu Luft im Luft/Brennstoff-Gemisch drückt das Verhältnis Brennstoff zu Luft als Gewichtsverhältnis aus. Dagegen drückt das Luftüberschußverhältnis das Verhältnis von Brennstoff zu Luft das Bezugsverhältnis aus, bei welchem die Verbrennung gerade noch stattfindet. Das Luftüberschußverhältnis „1" bedeutet, daß der Brennstoff und die Luft im Luft/Brennstoff-Gemisch noch ausreichende Verbrennung gewährleisten. Das Luftüberschußverhältnis „2" bedeutet, daß der Anteil an Luft im Luft/Brennstoff-Gemisch doppelt so groß ist wie für ausreichende Verbrennung des Brennstoffs erforderlich.
  • Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 144 wird das Luft/Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer gesaugt. Sobald der Kolben 144 die unterste Stellung erreicht hat, wird das Einlaßventil 132 geschlossen und der Kolben wieder nach oben bewegt, um das Luft/Brennstoff-Gemisch zu komprimieren. Wie bereits erwähnt, wird bei Starklastbedingungen das Luftüberschußverhältnis größer eingestellt als bei Schwachlastbedingungen. Dadurch wird auch unter Starklastbedingungen das Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemisch während des Kompressionshubs effektiv verhindert. Wenn während des Kompressionshubs der Kolben 144 den oberen Totpunkt fast erreicht hat, wird durch das Brennstoffeinspritzventil 14 Wasserstoffgas in die Brennkammer gespritzt. Wie aus 9B hervor geht, erfolgt das Einleiten von Wasserstoffgas in die Brennkammer unmittelbar vor Erreichen des oberen Totpunktes. Wie bereits in Verbindung mit den Zeichnungen 2A bis 2C beschrieben, ist die Oberseite des Kolbens 144 mit einer Nut 142 und einer Ausnehmung 145 versehen, entlang denen das durch das Brennstoffeinspritzventil 14 in die Brennkammer gespritzte Wasserstoffgas strömt. Die Ausnehmung 145 erstreckt sich halbkreisförmig bis zur Kante 147 an der Kolbenoberseite. Diese Kante 147 verhindert radiales Austreten des Wasserstoffgases aus der Ausnehmung 145. Dadurch bleibt das Wasserstoffgas effektiv in der Nähe der Ausnehmung 145, so daß ein Gemisch aus Wasserstoff, Kraftstoff und Luft erzeugt wird.
  • Nach dem Einleiten von Wasserstoffgas in die Brennkammer wird von der Zündkerze 136 das Wasserstoff/Luft-Gemisch gezündet. Wie aus 9C hervor geht, wird das Wasserstoff/Luft-Gemisch gezündet, wenn der Kolben 144 während des Kompressionshubs sich unmittelbar vor dem oberen Totpunkt befindet. Das von der Zündkerze 136 gezündete Wasserstoff/Luft-Gemisch verbrennt sehr schnell, so daß der Druck in der Brennkammer steigt. Dadurch wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer komprimiert und entzündet sich selbst, so daß das gesamte Gemisch im wesentlichen sofort zu verbrennen beginnt.
  • 10 zeigt den Zeitpunkt des Brenneinspritzens durch das Einlaßventil 15, den Zeitpunkt des Einleitens von Wasserstoff durch das Brennstoffeinspritzventil 14 und den Zeitpunkt des Zündens des eingespritzten Wasserstoffgases durch die Zündkerze 136 in bezug auf das Öffnen und Schließen des Einlaßventils 132 bei Starklastbedingungen. In 10 kennzeichnet das Bezugszeichen TDC den oberen Totpunkt, das Bezugszeichen BTC den unteren Totpunkt des Kolbens 144. Das Einlaßventil 132 wird geöffnet, kurz bevor der Kolben 144 den oberen Totpunkt erreicht, und geschlossen, sobald der Kolben 144 den unteren Totpunkt überschritten hat. Das Öffnen und Schließen des Einlaßventils 132 zu den genannten Zeitpunkten gewährleistet auch unter Starklastbedingungen bei hoher Maschinendrehzahl das Ansaugen einer ausreichenden Luftmenge. Andererseits wird das Auslaßventil 134 geöffnet, kurz bevor der Kolben 144 den unteren Totpunkt erreicht, und geschlossen, sobald der Kolben 144 den oberen Totpunkt überschritten hat. Das Öffnen und Schließen des Auslaßventils 134 zu den genannten Zeitpunkten gewährleistet das Ausstoßen auch einer großen Abgasmenge aus der Brennkammer innerhalb einer kurzen Zeit, wie es zum Beispiel unter Starklastbedingungen bei hoher Maschinendrehzahl erforderlich ist.
  • In 10 ist die Zeitspanne des Kraftstoffeinspritzens durch die von der gestrichelten Linie umgebene schraffierte Fläche gekennzeichnet. Das Einspritzen von Kraftstoff durch das Brennstoffeinspritzventil 15 in den Einlaßkanal 12 erfolgt zu einem geeigneten Zeitpunkt in einem Bereich, welcher sich etwa von 90 Grad vor dem oberen Totpunkt des Kolbens während des Kompressionshubs bis zu diesem nach Schließen des Einlaßventils 132 erstreckt. Wie bereits erwähnt, verdampft der zu diesem Zeitpunkt eingespritzte Brennstoff und mischt sich mit der in den Einlaßkanal 12 gesaugten Luft; dieses Gemisch wird beim nächsten Ansaughub in die Brennkammer gesaugt, wie aus 9A hervor geht.
  • Nach dem Ansaugen des Kraftstoff/Luft-Gemischs wird dieses bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 144 komprimiert. Kurz bevor der Kolben 144 den oberen Totpunkt erreicht (genauer ausgedrückt, während des Kompressionshubs zu einem Zeitpunkt innerhalb eines Bereiches, welcher sich von etwa 30 Grad vor dem oberen Totpunkt bis zu diesem erstreckt), wird durch das Brennstoffeinspritzventil 14 Wasserstoffgas in die Brennkammer gespritzt. Der Wasserstoffgaseinspritzbereich ist durch die von der durchgehenden Linie umgeben schraffierte Fläche gekennzeichnet.
  • Da das Wasserstoffgas durch das Brennstoffeinspritzventil 14 in die Brennkammer gespritzt wird, kurz bevor der Kolben 144 den oberen Totpunkt erreicht, gewährleisten die Nut 143 an der Kolbenoberseite, daß dieses sich in der Ausnehmung 145 sammelt und ausreichend mit dem Kraftstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer vermischt (siehe 9B). Das in der Ausnehmung 145 konzentrierte Wasserstoff/Luft-Gemisch wird von der Zündkerze 136 gezündet, sobald der Kolben 144 während des Kompressionshubs den oberen Totpunkt überschritten hat. Der in 10 angedeutete Stern kennzeichnet den Zündzeitpunkt. Das gezündete Wasserstoff/Luft-Gemisch verbrennt schnell und komprimiert dabei das dieses umgebende Luft/Brennstoff-Gemisch, so daß dieses sich im wesentlichen gleichzeitig selbst entzündet. Dieser Vorgang wird nachfolgend anhand von 11 beschrieben.
  • 11 zeigt schematisch die Erzeugung des Kraftstoff/Luft-Gemischs und des Wasserstoff/Luft-Gemischs in der Brennkammer. Die grob schraffierte Fläche repräsentiert das Kraftstoff/Luft-Gemisch, die fein schraffierte Fläche das Wasserstoff/Luft-Gemisch. Wie bereits erwähnt, wird das Wasserstoffgas in das Kraftstoff/Luft-Gemisch gespritzt. Das Luftüberschußverhältnis des Wasserstoff/Luft-Gemischs ist kleiner als das des Kraftstoff/Luft-Gemischs. Das heißt, das Wasserstoff/Luft-Gemisch hat ein größeres Brennstoff/Luft-Verhältnis als das Kraftstoff/Luft-Gemisch. Wenn das durch die fein schraffierte Fläche repräsentierte Wasserstoff/Luft-Gemisch gezündet wird, verbrennt dieses schnell und komprimiert das dieses umgebenden Kraftstoff/Luft-Gemisch. Die Pfeile, welche sich aus der das Wasserstoff/Luft-Gemisch repräsentierenden fein schraffierten Fläche radial erstreckenden, kennzeichnen das Verbrennen dieses Gemischs und das Komprimieren des dieses umgebenden Kraftstoff/Luft-Gemischs.
  • Wie bereits erwähnt, wird für Starklastbedingungen ein großes Luftüberschußverhältnis des Kraftstoff/Luft-Gemischs vorgegeben. Dieses Kraftstoff/Luft-Gemisch entzündet sich durch die vom Kolben 144 bewirkte einfache Kompression nicht selbst. Durch Verbrennen des Wasserstoff/Luft-Gemischs (11) wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch stärker komprimiert und entzündet sich. 12 zeigt schematisch das Selbstzünden des Kraftstoff/Luft-Gemischs. Durch die Verbrennung des Wasserstoff/Luft-Gemischs steigt der Druck in der gesamten Brennkammer, so daß das Kraftstoff/Luft-Gemisch gleichmäßig komprimiert wird und im wesentlichen überall gleich zündet. Genauer ausgedrückt, durch den im gesamten Kraftstoff/Luft-Gemisch ungleichmäßig verteilten Luftüberschuß oder durch die etwas geringere Temperatur an der Brennkammerwand wird ein gleichmäßiges Zünden des Kraftstoff/Luft-Gemischs verhindert. In 12 kennzeichnet die fein schraffierte Fläche den Verbrennungsbereich des Wasserstoff/Luft-Gemischs. Die grob schraffierten Flächen, welche die fein schraffierte Fläche umgeben, zeigen, daß das Kraftstoff/Luft-Gemisch sich im wesentlichen gleichzeitig mit dem Verbrennen des von diesem umgebenen Wasserstoff/Luft-Gemisch entzündet.
  • Wie bereits erwähnt, wird bei Starklastbedingungen eine relativ große Luftmenge angesaugt, so daß das Kraftstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer Luftüberschuß hat und durch die vom Kolben 144 bewirkte einfache Kompression sich nicht selbst entzündet. Dadurch wird auch bei Starklastbedingungen das Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs während des Kompressionshubs und dadurch das Auftreten von Klopfgeräuschen effektiv verhindert. Durch Einleiten von Wasserstoffgas während des Kompressionshubs und Zünden dieses Gases, wenn der Kolben sich dem oberen Totpunkt nähert, wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch mehr komprimiert und entzündet sich.
  • Durch Regulierung des Zündzeitpunktes des Wasserstoff/Luft-Gemischs kann das Selbstzünden des Kraftstoff/Luft-Gemischs zum gewünschten Zeitpunkt gewährleistet werden.
  • Bei der Brennkraftmaschine 10 dieser Ausführungsform kann unter Starklastbedingungen und auch unter Schwachlastbedingungen das Luft/Brennstoff-Gemisch komprimiert werden und sich selbst entzünden. Das Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem verringert die Emission von Schadstoffen aus der Maschine und den Brennstoffverbrauch. Die Brennkraftmaschine 10 dieser Ausführungsform ermöglicht das Komprimieren und Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs unabhängig von der Maschinenlast. Das führt zu einer Verringerung der Schadstoffemission und des Brennstoff-Verbrauchs. Auf die Ursachen, weshalb beim Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem die genannten Vorteile entstehen, wird später näher eingegangen.
  • Bei der Brennkraftmaschine 10 dieser Ausführungsform wird unter Starklastbedingungen das Wasserstoff/Luft-Gemisch gezündet, um das Selbstzünden des Kraftstoff/Luft-Gemischs auszulösen. Das Vermischen von Wasserstoffgas und Luft und Zünden des dabei entstehenden Gemischs bringt die nachfolgend beschriebenen Vorteile.
  • Wasserstoffgas hat eine größere Oktanzahl (geringeres Selbstzündpotential) als Kraftstoff. Wenn während des Kompressionshubs Wasserstoffgas in das Luft/Brennstoff-Gemisch gespritzt wird, entzündet dieses sich trotz der im Bereich des oberen Totpunktes herrschenden hohen Temperatur nicht selbst. Das Wasserstoff/Luft-Gemisch beginnt im wesentlichen gleichzeitig mit dem Zünden durch die Zündkerze 136 zu verbrennen. Dadurch kann der Zeitpunkt des Komprimierens und Selbstzünden des Kraftstoff/Luft-Gemischs effektiv gesteuert werden.
  • Ein weiteres charakteristisches Merkmal ist, daß das Wasserstoff/Luft-Gemisch einen breiteren Zündbereich hat als das Kraftstoff/Luft-Gemisch. Im allgemeinen ist ein Luft/Brennstoff-Gemisch mit einem zu geringen Brennstoff/Luft-Verhältnis (d.h. bei zu großem Luftüberschuß) oder einem zu großen Brennstoff/Luft-Verhältnis (d.h. bei zu wenig Luftüberschuß) nicht brennbar. Damit der Funke der Zündkerze das Luft/Brennstoff-Gemisch zündet, muß dessen Luftüberschußverhältnis im Zündbereich liegen. So hat unmittelbar nach dem Brennstoffeinspritzen das Luft/Brennstoff-Gemisch ein zu geringes Luftüberschußverhältnis und ist deshalb nicht entzündbar. Wenn der eingespritzte Brennstoff durch die Luftströmung in der Brennkammer nicht in der Nähe der Zündkerze konzentriert wird, hat das Luft/Brennstoff-Gemisch ein zu großes Luftüberschußverhältnis und ist deshalb nicht entzündbar. Bei Luftüberschuß hat das Wasserstoffgas einen breiteren Zündbereich als Kraftstoff. Dadurch kann das Wasserstoff/Luft-Gemisch von der Zündkerze effektiv gezündet werden, selbst wenn nach dem Brennstoffeinspritze nur eine kurze Zeit verstrichen oder der eingespritzte Brennstoff in der Nähe der Zündkerze nicht ausreichend konzentriert ist. Demzufolge gewährleistet Wasserstoffgas zuverlässiges Selbstzünden des Kraftstoff/Luft-Gemischs zum gewünschten Zeitpunkt.
  • Ein weiteres charakteristisches Merkmal ist, daß das Wasserstoff/Luft-Gemisch eine kürzere Zündverzögerung als das Kraftstoff/Luft-Gemisch hat. Die Zündverzögerung ist beim Zünden des Luft/Brennstoff-Gemischs zu verzeichnen. Das Zünden des Luft/Brennstoff-Gemischs durch die Zündkerze erfolgt auf die nachfolgend beschriebene Weise. Der Zündkerzenfunke dringt in das Luft/Brennstoff-Gemisch und erzeugt einen als Flammenkern bezeichneten Brandherd. In diesem Flammenkern entsteht ein stark aktives Zwischenprodukt. Dieses Zwischenprodukt reagiert mit den Brennstoffmolekülen und erzeugt weitere solche Zwischenprodukte. Bei einer bestimmten Konzentration dieser Zwischenprodukte im Flammenkern wird eine exotherme Reaktion ausgelöst, welche eine über das Luft/Brennstoff-Gemisch sich ausbreitende Flamme erzeugt. Das heißt, daß zwischen dem Eindringen des Funkens in das Luft/Brennstoff-Gemisch und dem tatsächlichen Ausbreiten der Flamme über dieses eine Zeitverzögerung oder Zeitdifferenz zu verzeichnen ist. Diese Zeitverzögerung wird Zündverzögerung genannt. Die Zündverzögerung ist abhängig von der Konzentrationsfähigkeit der Zwischenprodukte und variiert deshalb zwischen unterschiedlichen Brennstoffen. Selbst identische Brennstoff/Luft-Gemische zeigen bei etwas anderen Bedingungen unterschiedliche Zündverzögerungen.
  • Wasserstoffgas hat eine wesentlich kürzere Zündverzögerung als Kraftstoff und läßt unmittelbar nach Auslösen des Zündfunkens die Flamme sich über das Luft/Brennstoff-Gemisch ausbreiten. Durch diese sehr kurze Zündverzögerung sind nur ganz geringfügige Variationen im Beginn der Flammenausbreitung über das Luft/Brennstoff-Gemisch nach Auslösen des Zündfunkens durch die Zündkerze 136 zu verzeichnen. Durch Mischen von Wasserstoffgas mit Luft und Zünden dieses Gemischs mit dem von der Zündkerze 136 erzeugten Funken wird exaktes Steuern des Selbstzündzeitpunktes des Kraftstoff/Luft-Gemischs gewährleistet.
  • Wegen des breiten Zündbereichs von Wasserstoffgas wird dieses unmittelbar vor Erreichen des oberen Totpunktes während des Kompressionshubs in die Brennkammer gespritzt, wie bereits in der Beschreibung von 10 erwähnt. Wasserstoff gas ist bereits unmittelbar nach dem Einleiten in die Brennkammer entzündbar, selbst wenn dieses sich nicht ausreichend mit dem Luft/Brennstoff-Gemisch vermischt hat. Deshalb kann das Wasserstoffgases erst unmittelbar vor dem Zündzeitpunkt in die Brennkammer gespritzt werden. Durch das verzögerte Einleiten wird die Diffusionszeit des Wasserstoffgases verkürzt und das Wasserstoff/Luft-Gemisch in der Nähe der Zündkerze 136 belassen. Das Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs ist abhängig von der auf dieses wirkenden Hitze. Durch das verzögerte Einleiten von Wasserstoffgas wird die Temperatur des Wasserstoff/Luft-Gemisch nicht sehr stark erhöht und somit das Selbstzünden dieses Gemischs effektiv verhindert.
  • Wegen der kurzen Zündverzögerung des Wasserstoffgases wird unmittelbar nach Erreichen des oberen Totpunktes während des Kompressionshub der Zündfunke erzeugt, worauf bereits in der Beschreibung von 10 hingewiesen wurde. Der erzeugte Funke zündet das Wasserstoffgas sofort und bewirkt, daß die Flamme sich über das dieses umgebende Kraftstoff/Luft-Gemisch ausbreitet. Das heißt, der Zündzeitpunkt wird unmittelbar vor den Kompressions- und Selbstzündzeitpunkt des Kraftstoff/Luft-Gemischs gelegt.
  • Wie aus dieser Beschreibung hervor geht, sollte bei Verwendung eines Brennstoffs mit hoher Oktanzahl, zum Beispiel Methangas, Äthangas, Propangas oder Erdgas, oder Alkohol wie Methanol, welcher mit Luft gemischt und durch einen Funken gezündet werden soll, der Einspritz- und Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von den Brennstoffeigenschaften eingestellt werden. So hat jeder Brennstoff mit einer hohen Oktanzahl, wie Beispiel Methangas und Äthangas und Alkohol in Form von Methanol, einen engeren Verbrennungsbereich als Wasserstoff, so daß nach dem Brennstoffeinspritzen eine längere Zeit be nötigt wird, das Luft/Brennstoff-Gemisch mit Luftüberschuß zum Zünden zu bringen. Deshalb wird Zeitpunkt für das Einspritzen eines solchen Brennstoffs vor den Zeitpunkt des Einspritzens von Wasserstoffgas gelegt. So wird zum Beispiel jeder als Brennstoff verwendete Alkohol in einem Bereich zwischen 90° und 30° vor Erreichen des oberen Totpunktes während des Kompressionshubs eingespritzt. Diese nicht in die Ansprüche einbezogenen Brennstoffe haben eine längere Zündverzögerung als Wasserstoffgas, so daß der Zündzeitpunkt für diese vor den Zündzeitpunkt für Wasserstoffgas gelegt wird.
  • Zum Speichern von Wasserstoffgas oder eines der genannten hochoktanigen Gase oder Alkohole wird ein Brennstoffbehälter benötigt. Wie aus 1 hervor geht, ist die Brennkraftmaschine 10 der ersten Ausführungsform mit einem Behälter 170 zum Speichern von Wasserstoffgas unter Druck ausgerüstet. Das Gemisch aus Luft und einem solchen Brennstoff wird in der Nähe des oberen Totpunktes, d.h. bei minimalem Volumen der Brennkammer während des Kompressionshub verbrannt. Das Verbrennen dieses Brennstoffs auch in einer nur kleinen Menge bewirkt eine effektive Druckerhöhung in der Brennkammer. Bei Wasserstoffgas zum Beispiel beträgt die minimale Einspritzmenge bei jedem Einspritzvorgang 0,1 bis 0,5 mg. Das gilt auch für die anderen genannten hochoktanigen Brennstoffe. Demzufolge ist die Brennkraftmaschine mit einem Kraftstofftank und zusätzlich mit einem kleinvolumigen Behälter in Form des Behälters 170 zum Speichern eines solchen Brennstoffs ausgerüstet.
  • Wie aus der obigen Beschreibung und aus 10 hervor geht, wird das Auslaßventil 134 geschlossen, kurz nachdem der Kolben 144 den oberen Totpunkt überschritten hat. Dadurch kann das erzeugte Abgas vollständig aus der Brennkam mer ausgestoßen werden. Das Einlaßventil 132 wird geöffnet, kurz bevor der Kolben 144 den oberen Totpunkt erreicht. Dadurch wird das Ansaugen von ausreichend Luft gewährleistet. Bei der Brennkraftmaschine 10 mit Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennung kann das Schließen des Auslaßventils 134 und das Öffnen des Einlaßventils 132 zu den in 13 angedeuteten Zeitpunkten erfolgen. Bei dieser modifizierten Form wird das Auslaßventil 134 geschlossen, kurz bevor der Kolben 144 den oberen Totpunkt erreicht. Dadurch verbleibt eine große Abgasmenge in der Brennkammer, welche vom weiter aufwärts bewegten Kolben komprimiert wird. Das Einlaßventil 132 wird geöffnet, kurz nachdem der Kolben 144 den oberen Totpunkt überschritten hat. Das heißt, daß das Einlaßventil 132 erst nach Beginn der Kolbenabwärtsbewegung geöffnet wird und somit der Druck in der Brennkammer etwas sinkt. Dadurch kann das in der Brennkammer komprimierte Abgas nicht in das Ansaugrohr strömen, bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 144 aber Luft in die Brennkammer gesaugt werden.
  • Wie bereits erwähnt, verbleibt durch das Schließen des Auslaßventils 134 und das Öffnen des Einlaßventils 132 zu den in 13 angedeuteten Zeitpunkten eine große Abgasmenge in der Brennkammer. Dieses Abgas hat eine höhere Temperatur als die angesaugte Luft, so daß auch die Temperatur des Luft/Brennstoff-Gemischs bereits vor dem Komprimieren hoch ist. Im Abgas ist eine große Menge des während der Verbrennung erzeugten aktiven Zwischenprodukts enthalten. Diese Zwischenprodukt erleichtert in Verbindung mit der hohen Temperatur des Luft/Brennstoff-Gemischs vor dem Komprimieren das Selbstzünden dieses Gemischs. Selbst wenn die Kompressionsrate bei der Brennkraftmaschine 10 relativ gering ist, wird durch die modifizierten Zeitpunkte eine gleichmäßige Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennung gewährleistet.
  • Wie bereits erwähnt, wird bei der Brennkraftmaschine 10 der ersten Ausführungsform unter Starklastbedingungen das Wasserstoff/Luft-Gemisch durch den von der Zündkerze 136 erzeugten Funken gezündet und dadurch Klopfen verhindert. Vorzeitiges Zünden aus bestimmten Gründen kann aber Klopfen verursachen. Auftretendes Klopfen wird von dem im Zylinderblock 140 angeordneten Klopferfassungssensor 25 erfaßt. Auf der Grundlage des von diesem Sensor erzeugten Signals wird der Zündzeitpunkt verzögert und dadurch weiteres Klopfen effektiv verhindert. Zum Erfassen des Klopfens kann anstatt des Klopferfassungssensors 25 der Druckerfassungssensor 23 verwendet werden. Mit dem Auftreten von Klopfgeräuschen steigt der Druck in der Brennkammer abrupt. Aus der vom Druckerfassungssensor 23 berechneten Druckerhöhungsrate kann auftretendes Klopfen erfaßt werden.
  • Durch zu frühes Zünden wird die Konzentration der im Abgas enthaltenen Stickoxide erhöht. Wenn die Stickoxidkonzentration einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, wird diese von dem im Abgasrohr 16 angeordnete NOx-Sensor 21 erfaßt und daraufhin der Zündzeitpunkt der Zündkerze 136 verzögert. Bei entsprechender Verzögerung des Zündzeitpunktes kann die Konzentration der im Abgas enthaltenen Stickoxide effektiv verringert werden.
  • Bei der Brennkraftmaschine 10 der ersten Ausführungsform wird der Zeitpunkt des Brennstoffeinspritzens durch das Einspritzventil 14 in Kombination mit dem Zündzeitpunkt verändert, um eine merkliche Variation der Zeit zwischen dem Einspritzen von Wasserstoffgas und dem Zünden des Wasserstoff/Luft-Gemischs durch die Zündkerze 136 zu verhindern. Dadurch ist das Wasserstoff/Luft-Gemisch in einer ausreichenden Konzentration in der Nähe der Zündkerze 136 vorhan den, unabhängig von einer Variation des Zündzeitpunktes, und kann von der Zündkerze 136 effektiv gezündet werden.
  • Bei der Brennkraftmaschine 10 der ersten Ausführungsform läuft die Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennung ab, durch welche die Emission von Schadstoffen und der Brennstoffverbrauch wesentlich reduziert werden. Auf die Gründe für diese Reduzierungen wird nachfolgend näher eingegangen. Die hervorragenden Eigenschaften des Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystems sind den drei Faktoren „höherer Isovolumenlevel", „großes Luftüberschußverhältnis" und „große spezifische Wärme" zuzuschreiben. Zuerst wird der „höhere Isovolumenlevel" beschrieben. Gemäß der Takttheorie erreicht eine mit Kraftstoff betriebene Maschine die maximale Effizienz bei der momentanen Verbrennung (d.h. bei einer in äußerst kurzer Zeit ablaufenden Verbrennung) des gesamten Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer zu dem Zeitpunkt, zu welchem während des Kompressionshubs der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Momentanes Verbrennen des gesamten Luft/Brennstoff-Gemischs ist praktisch nicht möglich. Eine Verkürzung der Zeit zum Verbrennen des gesamten Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Maschineneffizienz. Der Isovolumenlevel ist der Index für die zum Verbrennen des gesamten Luft/Brennstoff-Gemischs erforderliche Minimalzeit. Der höhere Isovolumenlevel repräsentiert die höhere Maschineneffizienz.
  • Beim Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem wird das gesamte Luft/Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer komprimiert und simultan gezündet und verbrennt praktisch vollständig. Dadurch wird die Verbrennung des gesamten Luft/Brennstoff-Gemischs praktisch gleichzeitig beendet und somit der Isovolumenlevel wesentlich verbessert. Durch den verbes serten Isovolumenlevel wird die Maschineneffizienz erhöht und der Brennstoffverbrauch merklich gesenkt.
  • Nachfolgend wird der die ausgezeichneten Eigenschaften des Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystems bewirkende zweite Faktor, d.h. das „große Luftüberschußverhältnis" beschrieben. Beim Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem wird ein Luft/Brennstoff-Gemisch mit einem großen Luftüberschußverhältnis verbrannt. Beim Verbrennen eines solchen Gemischs liegen dem verringerten Emittieren von Schadstoffen zwei Mechanismen zugrunde. Einer dieser Mechanismen ist die langsamere Verbrennungsgeschwindigkeit, welche die Geschwindigkeit der Verbrennungsreaktion repräsentiert. Wie bereits erwähnt, ist der Isovolumenlevel der Index für die zum Verbrennen des gesamten Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer erforderlichen Zeit. Wenn zum Beispiel unter Starklastbedingungen die Verbrennung an einer Seite der Brennkammer beginnt, wird zum Verbrennen des gesamten Luft/Brennstoff-Gemischs eine relativ lange Zeit benötigt, so daß der Isovolumenlevel sinkt. Die Verbrennungsgeschwindigkeit des Luft/Brennstoff-Gemischs und die zum Verbrennen des gesamten Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer erforderliche Zeit sollten klar voneinander getrennt werden.
  • Im allgemeinen ist die Verbrennungsgeschwindigkeit des Luft/Brennstoff-Gemischs stark vom Luftüberschußverhältnis abhängig. Die Verbrennungsgeschwindigkeit erreicht bei einem Luftüberschußverhältnis 1 den Maximalwert und sinkt mit zunehmendem Luftüberschußverhältnis. Wie bereits erwähnt, wird beim Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem ein Luft/Brennstoff-Gemisch mit einem großen Luftüberschußverhältnis verbrannt, so daß eine langsame Verbrennungsgeschwindigkeit zu verzeichnen ist. Durch die langsame Ver brennungsgeschwindigkeit wird aus dem nachfolgend beschriebenem Grund die Emission der als Schadstoffe eingestuften Stickoxide verringert.
  • Es wird angenommen, daß die meisten der im Abgas enthaltenen Stickoxide durch die Reaktion von Stickstoffmolekülen mit Sauerstoffmolekülen in der Luft infolge der Verbrennungswärme erzeugt werden. Stickstoffmoleküle sind stabil und gehen nur bei sehr hohen Temperaturen eine Reaktion mit Sauerstoff ein. Bei langsamer Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs wird die meiste der dabei erzeugten Verbrennungswärme auf die Umgebung übertragen, während die verbleibende Wärme die Temperatur des verbrennenden Luft/Brennstoff-Gemischs erhöht. Das in der Brennkammer der Maschine vorhandene Luft/Brennstoff-Gemisch unterliegt einer als „Turbulenz" bezeichneten feinen Strömung, welche die Übertragung der Verbrennungswärme an die Umgebung verursacht. Dagegen ist bei hoher Verbrennungsgeschwindigkeit die Verbrennung bereits beendet, bevor die Verbrennungswärme an die Umgebung übertragen werden kann. Dadurch erreicht das verbrennende Luft/Brennstoff-Gemisch sehr hohe Temperaturen. Wenn die in der Luft enthaltenen zahlreichen Stickstoffmoleküle auch nur eine sehr kurze Zeit diesen hohen Temperaturen ausgesetzt sind, gehen diese mit Sauerstoff eine Reaktion ein, so daß Stickoxide erzeugt werden. Wenn die Temperatur geringer ist als die für die Reaktion der Stickstoffmoleküle mit Sauerstoff erforderliche, werden nur wenige oder im wesentlichen keine Stickoxide erzeugt.
  • Da beim Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem ein Luft/Brennstoff-Gemisch mit großem Luftüberschußverhältnis verbrannt wird, läuft die Verbrennung langsam ab. Das ist der Grund dafür, daß nur geringe Mengen Stickoxide erzeugt werden.
  • Nachfolgend wird der Mechanismus beschrieben, welcher beim Verbrennen eines Luft/Brennstoff-Gemischs mit einem großen Luftüberschußverhältnis im Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem nur geringe Mengen Schadstoffe wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe entstehen läßt.
  • Schadstoffe wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe werden bei Sauerstoffmangel erzeugt. Beim Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem wird ein Luft/Brennstoff-Gemisch mit einem großen Luftüberschußverhältnis verbrannt, so daß ausreichend Sauerstoff verfügbar ist und demzufolge nur geringe Mengen an Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen erzeugt werden.
  • Nachfolgend wird der die ausgezeichneten Eigenschaften des Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystems bewirkende dritte Faktor, die „größere spezifische Wärme" beschrieben. Dieser Faktor betrifft ebenfalls die Verbrennung eines Luft/Brennstoff-Gemisch mit einem großen Luftüberschußverhältnis. Beim Verbrennen eines Luft/Brennstoff-Gemischs mit einem Luftüberschußverhältnis unter „1" ist zu wenig Sauerstoff für den Brennstoff verfügbar. Dadurch wird der Brennstoff nicht vollständig zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert, sondern in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zerlegt. Selbst dann, wenn das gesamte Luft/Brennstoff-Gemisch ein Luftüberschußverhältnis größer „1" hat, gibt es durch örtliche Unterschiede in der Brennstoffkonzentration Bereiche mit unzureichender Sauerstoffmenge, so daß in diesen Kohlenmonoxid und Wasserstoff entstehen. Da beim Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem aber ein Luft/Brennstoff-Gemisch mit einem ausreichend großen Luftüberschußverhältnis verbrannt wird, oxidiert der Brennstoff vollständig und es entsteht Kohlendioxid und Dampf.
  • Kohlendioxid und Dampf (Wasser) haben dreiatomige Moleküle, welche aus drei Atomen bestehen, Kohlenmonoxid und Wasserstoff aber nur zweiatomige Moleküle, welche aus zwei Atomen bestehen. Wie die statistische Thermodynamik lehrt, hat ein dreiatomiges Molekül eine größere spezifische Wärme als ein zweiatomiges Molekül. Demzufolge sind dreiatomige Molekühle schwieriger zu erwärmen als zweiatomige Moleküle. Da beim Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennungssystem ein Luft/Brennstoff-Gemisch mit einem großen Luftüberschußverhältnis verbrannt wird, ergibt sich bei einem größeren Anteil an dreiatomigen Molekülen, d.h. Kohlendioxidmolekülen und Dampfmolekülen, eine größere spezifischer Wärme. Dadurch wird die Verbrennungstemperatur effektiv herabgesetzt und die Emission von Stickoxiden wesentlich verringert.
  • Bei der Brennkraftmaschine 10 wird ein Vorgemisch erzeugt, welches durch Komprimieren sich selbst entzündet, unabhängig von der Belastung der Maschine. Dadurch wird aus den beschriebenen Gründen die Emission von Schadstoffen und der Brennstoffverbrauch gesenkt.
  • A-4. Modifikationen
  • Es gibt verschiedne Modifikationen der beschriebenen ersten Ausführungsformen. Auf einige der möglichen Modifikationen wird nachfolgend näher eingegangen.
  • (a) Erstes modifiziertes Beispiel
  • Die 14A und 14B zeigen die Konfiguration der Brennkammer einer Maschine gemäß einer ersten Modifikation der ersten Ausführungsform. 14A zeigt die Schnittansicht der Brennkammer, 14B den Kolben 144 vom Zylinderkopf 130 aus gesehen. Bei der Brennkraftmaschine der ersten Ausführungsform ist das Ventil 15 zum Einspritzen von Kraftstoff im Einlaßkanal, das Ventil 14 zum Einspritzen von Was serstoffgas in der Brennkammer angeordnet. Bei der ersten Modifikation sind das Ventil 19 zum Einspritzen von Kraftstoff und das Ventil 14 zum Einspritzen von Wasserstoffgas in der Brennkammer angeordnet. Das heißt, daß Kraftstoff und Wasserstoffgas direkt in die Brennkammer gespritzt werden.
  • Das Direkteinspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer erfolgt zu einem geeigneten Zeitpunkt in der ersten Hälfte des Ansaughubs. Aus den 15A und 15B sind die Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen des Einlaßventils 132 und des Auslaßventils 134 und der Brennstoffeinspritzzeitpunkt ersichtlich. Bei einem Beispiel wird das Auslaßventil 134 geschlossen, kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt überschritten hat, das Einlaßventil 132 geöffnet, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat. In diesem Fall wird zu einem geeigneten Zeitpunkt in der ersten Hälfte des Ansaughubs der Kraftstoff durch das Ventil 19 direkt in die Brennkammer gespritzt. Der eingespritzte Kraftstoff vermischt sich im wesentlichen homogen mit der durch das Einlaßventil 132 in die Brennkammer gesaugten Luft.
  • Bei einem weiteren Beispiel wird das Auslaßventil 134 geschlossen, kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, das Einlaßventil 132 geöffnet, kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt überschritten hat. Diese Zeitpunkte sind aus 15B ersichtlich. In diesem Fall wird zu einem geeigneten Zeitpunkt nach Beginn der Abwärtsbewegung des Kolbens 144 der Kraftstoff durch das Ventil 19 direkt in die Brennkammer gespritzt und kann sich nicht auf dem Kolben ablagern. Durch die hohe Temperatur des in der Brennkammer verbliebenen Abgases verdampft der eingespritzte Kraftstoff sehr schnell und wird durch die über das Einlaßventil 132 angesaugte Luft so umgewirbelt, daß im wesentlichen ein homogenes Luft/Brennstoff-Gemisch entsteht.
  • Wie bei der Brennkraftmaschine der ersten Ausführungsform wird Wasserstoffgas eingespritzt, unmittelbar bevor der Kolben im Kompressionshub den oberen Totpunkt erreicht. Das eingespritzte Wasserstoffgas strömt entlang der Nut 143 in die der Zündkerze 136 gegenüber sich befindende Ausnehmung 145 an der Oberseite des Kolbens 144, wie aus den 14A und 14B ersichtlich ist. Das Wasserstoff/Luft-Gemisch wird während des Kompressionshubs gezündet, kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt überschritten hat (siehe 15A und 15B). Das führt zum Komprimieren und Selbstzünden des Kraftstoff/Luft-Gemischs. Durch Regulierung des Zeitpunktes zum Zünden des Wasserstoffgases wird der Zeitpunkt des Selbstzündens des Kraftstoff/Luft-Gemischs gesteuert und somit Klopfen effektiv verhindert.
  • (2) Zweites modifiziertes Beispiel
  • Bei der ersten Ausführungsform und beim ersten modifizierten Beispiel ist die Zündkerze 136 etwas entfernt vom Einspritzventil 14 für Wasserstoffgas angeordnet und die Oberseite des Kolbens 144 mit einer Nut 143 versehen, welche das eingespritzte Wasserstoffgas zur Peripherie der Zündkerze 136 leitet. Bei einem weiteren modifizierten Beispiel ist die Zündkerze 136 in der Nähe des Einspritzventils 14 für Wasserstoff angeordnet.
  • Die 16A und 16B zeigen die Konfiguration der Brennkammer einer Brennkraftmaschine gemäß dem zweiten modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform. 16A zeigt die Schnittansicht der Brennkammer, 16B den Kolben 144 vom Zylinderkopf 130 aus gesehen. Bei der Maschine gemäß dem zweiten modifizierten Beispiel ist die Zündkerze 136 in der Nähe des Einspritzventils 14 für Wasserstoffgas angeordnet. Die Ausnehmung 145 auf der Oberseite des Kolbens 144 liegt der Zündkerze 136 und dem Einspritzventil 14 gegenüber.
  • Durch das Ventil 14 wird Wasserstoffgas in die Brennkammer gespritzt, wenn während des Kompressionshubs der Kolben 144 sich dem oberen Totpunkt nähert. Das eingespritzte Wasserstoffgas bildet zusammen mit Luft ein Wasserstoff/Luft-Gemisch in der Ausnehmung 145 auf der Oberseite des Kolbens 144 und wird zu einem geeigneten Zeitpunkt von der Zündkerze 136 gezündet, nachdem der Kolben 144 im Kompressionshub den oberen Totpunkt überschritten hat. Bei der Maschine gemäß dem zweiten modifizierten Beispiel ist der Kolben nicht mit einer Nut 143 wie bei der ersten Ausführungsform und deren erstem modifizierten Beispiel versehen, so daß das eingespritzte Wasserstoffgas direkt in die Ausnehmung 145 gelangt. Demzufolge kann der Einspritzzeitpunkt für das Wasserstoffgas näher an den Zündzeitpunkt gelegt werden. Da das Wasserstoffgas gezündet wird, bevor es sich ausbreitet, kann die Wasserstoffeinspritzmenge verringert werden. Durch den geringeren Wasserstoffbedarf kann die Speicherkapazität des Wasserstoffbehälters 170 verkleinert werden. Wie bereits erwähnt, hat Wasserstoffgas einen breiten Zündbereich und kann deshalb auch in leicht erhöhter Konzentration effektiv durch den von der Zündkerze 136 erzeugten Funken gezündet werden. Aus diesem Grund kann das Wasserstoff/Luft-Gemisch schon sehr kurz nach dem Einspritzen von Wasserstoffgas zuverlässig gezündet werden.
  • (3) Drittes modifiziertes Beispiel
  • Bei der Brennkraftmaschine der ersten Ausführungsform und deren erstem und zweitem modifizierten Beispiel ist der Kolben 144 an der Oberseite mit der Ausnehmung 145 versehen. Alternativ kann aber auch der Zylinderkopf mit einer Ausnehmung versehen werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Kolben 144 und die diesem gegenüberliegende Fläche des Zylinderkopfes 130 mit einer Ausnehmung zu versehen.
  • Die 17A und 17B zeigen die Konfiguration der Brennkammer einer Brennkraftmaschine gemäß dem dritten modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform. 17A zeigt die Schnittansicht der Brennkammer, 17B den Kolben 144 vom Zylinderkopf 130 aus gesehen. Bei der Brennkraftmaschine gemäß dem dritten modifizierten Beispiel ist der Zylinderkopf 130 mit einer Ausnehmung 145a versehen, und das Einspritzventil 14 für Wasserstoffgas und die Zündkerze 136 sind in der Ausnehmung 145a angeordnet. Der Kolben 144 ist an der Oberseite mit einer der Ausnehmung 145a gegenüber liegenden Ausnehmung 145b versehen.
  • Bei der Brennkraftmaschine gemäß dem dritten modifizierten Beispiel wird währen des Kompressionshubs Wasserstoffgas durch das Ventil 14 in die Brennkammer gespritzt, wenn der Kolben 144 sich dem oberen Totpunkt nähert. Das eingespritzte Wasserstoffgas bleibt in dem zwischen den Ausnehmungen 145a und 145b gebildeten Raum und bildet zusammen mit Luft ein Wasserstoff/Luft-Gemisch. Diese Konfiguration verhindert das Ausbreiten des Wasserstoffgases über einen größeren Bereich innerhalb der Brennkammer, so daß die erforderliche Wasserstoffgaseinspritzmenge reduziert werden kann. Durch den geringeren Wasserstoffbedarf kann die Speicherkapazität des Wasserstoffbehälters 170 verkleinert werden.
  • B. Zweite Ausführungsform
  • Die Brennkraftmaschine 10 der ersten Ausführungsform ist eine Viertaktmaschine. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf eine Viertaktmaschine beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann auch auf eine Maschine 300 übertragen werden, bei welcher je nach den Antriebsbedingungen vom Viertakt-Modus auf den Zweitakt-Modus und umgekehrt geschaltet wird. Das ist die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • B-1. Systemaufbau
  • 18 zeigt schematisch den Aufbau der Brennkraftmaschine 300 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Brennkraftmaschine 300 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Brennkraftmaschine 10 der ersten Ausführungsform wie nachfolgend beschrieben.
  • Bei der Brennkraftmaschine 300 der zweiten Ausführungsform wird das Einlaßventil 132 und das Auslaßventil 134 von einer Einheit 162 bzw. 164 bewegt. Diese beiden Einheiten haben Schichtstruktur und weisen mehrere scheibenförmige piezoelektrische Elemente auf. Durch die von der Maschinensteuereinheit (nachfolgend ECU genannt) 30 gesendeten Signale wird die Speisespannung der piezoelektrischen Elemente verändert. Als Reaktion auf die Spannungsänderung werden von den Einheiten 162 und 164 zu willkürlichen Zeitpunkten das Einlaßventil 132 und das Auslaßventil 134 geöffnet und geschlossen.
  • Die Brennkraftmaschine 300 der zweiten Ausführungsform ist mit einem Vorverdichter 50 ausgerüstet. Zu diesem Vorverdichter 50 gehören eine im Abgasrohr 16 angeordnete Turbine 52, ein in der Ansaugleitung 12 angeordneter Kompressor 54 und eine die Turbine 52 mit dem Kompressor 54 verbindende Welle 56. Das aus der Brennkammer in das Abgasrohr 16 ausgestoßenen Abgas setzt die Turbine 52 und somit über die Welle 56 den Kompressor 54 in Drehung, welcher die Luft im Ansaugrohr 12 komprimiert. Die Brennkraftmaschine 300 der zweiten Ausführungsform ist auch mit einem Zwischenkühler 62 und einem Puffer 60 ausgerüstet, welche im Ansaugrohr 12 angeordnet sind. Vom Zwischenkühler 62 wird die angesaugte, vom Kompressor 54 komprimierte und somit erwärmte Luft abge kühlt. Der Puffer 60 dient dazu, die beim Ansaugen der Luft in die Brennkammer erzeugte Druckwelle abzubauen.
  • Auch die Brennkraftmaschine 300 wird von der ECU 30 gesteuert. Die ECU 30 erfaßt die Maschinendrehzahl Ne und den Beschleunigeröffnungsgrad θac und nimmt auf der Grundlage der erfaßten Werte das Umschalten der Maschine 300 vom Viertakt-Modus auf den Zweitakt-Modus und umgekehrt vor. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird beim Viertaktmodus bei zwei Auf- und Abwärtsbewegungen des Kolbens Luft angesaugt, das Luft/Brennstoff-Gemisch verbrannt und das Abgas ausgestoßen, beim Zweitakt-Modus bei einer Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens Luft angesaugt, das Luft/Brennstoff-Gemisch verbrannt und das Abgas ausgestoßen. Die ECU 30 ändert synchron zu den Bewegungen des Kolbens 144 die Zeitpunkte des Öffnens und Schließens des Einlaßventils 132 und des Auslaßventils 134, die Zeitpunkte des Einspritzens durch die Einspritzventile 14 und 15 und den Zeitpunkt der Funkenerzeugung durch die Zündkerze 136 und schaltet somit zwischen dem Viertakt-Modus und dem Zweitakt-Modus der Brennkraftmaschine 300.
  • 19 zeigt in Diagrammform die Auswahl zwischen dem Viertakt-Modus und dem Zweittakt-Modus in Abhängigkeit von den Maschinenantriebsbedingungen. Die schraffierten Flächen gelten für den Viertakt-Modus. Die Auswahl des Viertakt-Modus erfolgt bei Bedingungen, welche sehr kleine Beschleunigeröffnungsgrade θac (äußerst geringer Last) und hohe Maschinendrehzahlen Ne (hohe Geschwindigkeiten) erfordern, ansonsten wird der Zweitakt-Modus gewählt.
  • Bei sehr kleinen Beschleunigeröffnungsgraden θac werden nur geringe Luft- und Brennstoffmengen in die Brennkammer geleitet. Dadurch ist bei Beginn des Komprimierens des Luft/ Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer nur ein geringer Druck zu verzeichnen, so daß das vom Kolben bewirkte Komprimieren kein Selbstzünden des Gemischs auslöst. In solchen Fällen wird der Viertakt-Modus ausgewählt, um günstige Maschinenantriebsbedingungen zu gewährleisten.
  • Bei hohen Maschinendrehzahlen Ne läuft das Ansaugen, Verbrennen und Ausstoßen bei jeweils einer Aufwärts- und Abwärtsbewegung des Kolbens nur unter Schwierigkeiten effektiv ab, so daß in diesen Fällen der Viertakt-Modus ausgewählt wird, um günstige Maschinenantriebsbedingungen zu gewährleisten.
  • Der Zweitakt-Modus wird gewählt, wenn weder hohe Drehzahlen Ne noch sehr kleine Beschleunigeröffnungsgrade θac eingestellt werden. Beim Zweitakt-Modus wird das Drehmoment bei einer Auf- und Abwärtsbewegung erzeugt. Deshalb kann beim Zweitakt-Modus ein größeres Drehmoment erhalten werden als beim Viertakt-Modus. Beim Zweitakt-Modus unterscheidet sich das Steuern der Maschine bei relativ kleinen Beschleunigeröffnungsgraden θac (Schwachlastbedingungen) von jenem bei großen Beschleunigeröffnungsgraden θac (Starklastbedingungen).
  • B-2. Verbrennungssteuerung des Luft/Brennstoff-Gemischs bei der Brennkraftmaschine der zweiten Ausführungsform.
  • Bei der Brennkraftmaschine 300 der zweiten Ausführungsform wird beim Umschalten vom Viertakt-Modus auf den Zweitakt-Modus und umgekehrt in Abhängigkeit von den Maschinenbetriebsbedingungen die Verbrennung auf die nachfolgend beschriebene Weise gesteuert. 20 zeigt für den Viertakt-Modus die Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen des Einlaßventils 132 und des Auslaßventils 134 synchron zur Bewe gung des Kolbens 144, den Zeitpunkt für das Betätigen des Brennstoffeinspritzventils 15 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Einlaßkanal 12 und den Zeitpunkt für das Zünden des Kraftstoff/Luft-Gemischs durch die Zündkerze 136.
  • Durch Öffnen des Einlaßventils 132 zu einem Zeitpunkt, kurz bevor der Kolben 144 den oberen Totpunkt (OT) erreicht, kann das Luft/Brennstoff-Gemisch synchron zur Abwärtsbewegung des Kolbens 144 aus dem Einlaßkanal 12 in die Brennkammer gesaugt werden. Wenn der Kolben 144 sich kurz vor dem unteren Totpunkt (UT) befindet, wird das Einlaßventil 132 wieder geschlossen, um das Luft/Brennstoff-Gemisch zu komprimieren. Zu einem bestimmten Zeitpunkt, bevor der Kolben 144 den oberen Totpunkt wieder erreicht, wird das zu verbrennende Luft/Brennstoff-Gemisch gezündet und dadurch das Drehmoment erzeugt. Der Kraftstoff wird durch das Brennsteinspritzventil 15 in den Einlaßkanal 12 gespritzt. Zum Einspritzzeitpunkt ist das Einlaßventil 132 geschlossen, so daß der eingespritzte Kraftstoff verdampft und im Einlaßkanal 12 ein Luft/Brennstoff-Gemisch entsteht.
  • Wenn weder hohe Maschinendrehzahlen Ne noch sehr kleine Beschleunigeröffnungsgrade θac erforderlich sind (Bereich der Schwachlastbedingungen in 19), wird das Brennstoffeinspritzventil 15 betätigt, während das Einlaßventil 132 und das Auslaßventil 134 zu den in 21 angedeuteten Zeitpunkten geöffnet und geschlossen sind. Nachfolgend wird anhand von 21 das Betreiben der Brennkraftmaschine 300 unter Schwachlastbedingungen kurz beschrieben.
  • Zum besseren Verstehen der Vorgänge wird mit der Erläuterung zu dem Zeitpunkt begonnen, wenn der Kolben 144 den unteren Totpunkt überschreitet und das Einlaßventil 132 geschlossen wird. Zu diesem Zeitpunkt ist das durch das vorher geöffnete Einlaßventil 132 angesaugte Luft/Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer vorhanden. Mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens 144 wird das in die Brennkammer gesaugte Luft/Brennstoff-Gemisch allmählich komprimiert. Während des Komprimierens wird durch das Einspritzventil 15 Kraftstoff in den Einlaßkanal 12 gespritzt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Einlaßventil 132 geschlossen, so daß der eingespritzte Kraftstoff verdampft und ein Luft/Brennstoff-Gemisch im Einlaßkanal 12 entsteht.
  • Das bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 144 komprimierte Luft/Brennstoff-Gemisch entzündet sich selbst, wenn der Kolben 144 sich dem oberen Totpunkt nähert, und verbrennt sehr schnell. Durch die Verbrennung des Luft/Brennstoff-Gemischs steigt der Druck in der Brennkammer. Von dem in der Brennkammer erzeugten Druck wird der Kolben 144 nach unten gedrückt und dabei über die Kurbelwelle 148 ein Drehmoment erzeugt. Beim Abwärtsbewegen des Kolbens 144 sinkt der Druck in der Brennkammer allmählich. Zu einem bestimmten Zeitpunkt, bevor der Kolben 144 den unteren Totpunkt erreicht, wird das Auslaßventil 134 geöffnet, damit das Abgas in das Abgasrohr 16 strömen kann. Das ins Abgasrohr 16 strömende Abgas setzt die Turbine 52 in Drehung, so daß vom Kompressor 54 die Ansaugluft vorverdichtet wird.
  • Durch das bei der Abwärtsbewegung des Kolbens 144 über das Auslaßventil 134 ins Abgasrohr strömende Abgas wird der Druck in Druckkammer abrupt abgebaut, so daß die Effektivität des Entfernens des Verbrennungsgases aus der Brennkammer nachläßt. Deshalb wird das Einlaßventil 132 zu einem bestimmten Zeitpunkt geöffnet, bevor der Kolben 144 den unteren Totpunkt erreicht. Da das über das Einlaßventil 132 in die Brennkammer strömende Luft/Brennstoff-Gemisch vorverdichtet ist, wird das in dieser noch verbliebene Verbren nungsgas über das Auslaßventil 134 ins Abgasrohr gedrückt. Der Vorgang, bei welchem die über das geöffnete Einlaßventil 132 in die Brennkammer strömende Luft das verbliebene Verbrennungsgas über das ebenfalls geöffnete Auslaßventil 134 aus dieser drückt, wird „Spülen" genannt.
  • Das Ausstoßen des Verbrennungsgases aus der Brennkammer ist zum größten Teil abgeschlossen, wenn der Kolben den unteren Totpunkt überschritten hat. Zu diesem Zeitpunkt wird das Auslaßventil 134 geschlossen. Durch das weiterhin geöffnete Einlaßventil 132 strömt das vorverdichtete Luft/Brennstoff-Gemisch aus dem Einlaßkanal 12 in die Brennkammer, so daß der druck in dieser steigt. Das Einströmen des Luft/Brennstoff-Gemisch in die Brennkammer wird gestoppt, wenn der Druck in dieser praktisch den Ladedruck erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird das Einlaßventil 132 geschlossen. Die beschriebenen Vorgänge laufen wiederholt ab, um durch Komprimieren und Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs ständig ein Drehmoment zu erzeugen. Wenn die Brennkraftmaschine 300 unter Schwachlastbedingungen durch gleichzeitiges Komprimieren und Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemisch betrieben wird, werden die Emission von Schadstoffen und der Brennstoffverbrauch stark verringert.
  • Wie bei der Brennkraftmaschine der ersten Ausführungsform besteht durch das Komprimieren und Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs die Gefahr, daß unter Starklastbedingungen verstärkt Klopfen auftritt. Wenn keine hohen Maschinendrehzahlen Ne, aber Beschleunigeröffnungsgrade θac über eine bestimmte Größe benötigt werden (Bereich der Starklastbedingungen in 19), wird die Brennkraftmaschine 300 wie nachfolgend beschrieben betrieben, um Komprimieren und Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs ohne Klopferscheinungen zu gewährleisten. 22 zeigt die Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen des Einlaßventils 132 und des Auslaßventils 134, die Zeitpunkte für das Betätigen der Brennstoffeinspritzventile 14 und 15 sowie den Zeitpunkt für die Erzeugung des Zündfunkens durch die Zündkerze 136 bei Starklastbedingungen. Die Hauptunterschiede zwischen diesen Zeitpunkten und den in 21 für Schwachlastbedingungen gezeigten bestehen im Einspritzen von Wasserstoffgas und im Zünden der Zündkerze 136. Nachfolgend wird anhand von 22 das Betreiben der Brennkraftmaschine 300 unter Starklastbedingungen kurz beschrieben.
  • Wie bei Schwachlastbedingungen ist der Ausgangspunkt auch hier der Moment, in welchem der Kolben 144 den unteren Totpunkt überschreitet und das Einlaßventil 132 geschlossen ist. Wenn bei geschlossenem Einlaßventil 132 der Kolben 144 aufwärts bewegt wird, erfolgt das Komprimieren des Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer. Unter Starklastbedingungen wird das Luft/Brennstoff-Gemisch auf ein ausreichend hohes Luftüberschußverhältnis eingestellt, um ein Selbstzünden des Gemischs während des vom Kolben 144 bewirkten Komprimierens zu verhindern. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens 144 und des Komprimierens des Luft/Brennstoff-Gemischs wird durch das Einspritzventil 15 Kraftstoff in den Einlaßkanal 12 gespritzt, um in diesem das Luft/Brennstoff-Gemisch zu erzeugen. Dieses Luft/Brennstoff-Gemisch strömt beim Öffnen des Einlaßventils 132 in die Brennkammer. Unmittelbar bevor der Kolben 144 den oberen Totpunkt erreicht, wird durch das Einspritzventil 14 Wasserstoffgas in die Brennkammer gespritzt. Der Einspritzzeitpunkt für Wasserstoffgas liegt in einem Bereich zwischen 30° vor dem oberen Totpunkt und diesem selbst.
  • Wie bei der Brennkraftmaschine 10 der ersten Ausführungsform ist der Kolben 144 der Brennkraftmaschine 300 der zweiten Ausführungsform an der Oberseite mit der Ausnehmung 145 und der Nut 143 versehen. In der Ausnehmung 145 wird aus dem eingespritzten Wasserstoff und Luft ein Wasserstoff/Luft-Gemisch erzeugt. Dieses Wasserstoff/Luft-Gemisch wird zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Kolben 144 den oberen Totpunkt überschreitet, von der Zündkerze 136 gezündet, verbrennt dann sehr schnell und komprimiert das dieses umgebende Kraftstoff/Luft-Gemisch. Das in der Brennkammer erzeugte Kraftstoff/Luft-Gemisch hat ein ausreichend großes Luftüberschußverhältnis, welches das Selbstzünden des Gemischs im Verlauf des Komprimierens durch den Kolben 144 verhindert. Durch die Verbrennung des Wasserstoff/Luft-Gemischs wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch zusätzlich komprimiert und entzündet sich selbst. Durch Regulieren des Zündzeitpunktes für das eingespritzte Wasserstoffgas wird der Zeitpunkt des Selbstzündens des Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer gesteuert. Wie bereits erwähnt, hat das Wasserstoff/Luft-Gemisch eine hohe Oktanzahl, so daß das Gemisch aus Luft und eingespritztem Wasserstoffgas in der Brennkammer sich nicht spontan selbst entzündet. Das Wasserstoff/Luft-Gemisch hat einen breiten Zündbereich und eine kurze Zündverzögerung und kann deshalb zu einem genauen Zeitpunkt durch die Zündkerze 136 gezündet werden.
  • Mit dem Selbstzünden des Luft/Brennstoff-Gemischs steigt der Druck in der Brennkammer, durch welchen der Kolben 144 abwärts bewegt und an der Kurbelwelle 148 ein Drehmoment erzeugt wird. Bevor der Kolben 144 den unteren Totpunkt erreicht, wird das Auslaßventil 134 geöffnet und das Verbrennungsgas aus der Brennkammer ins Abgasrohr 16 gedrückt. Das ins Abgasrohr 16 gedrückte Verbrennungsgas setzt die Turbine 52 in Drehung, so daß der mit dieser verbundene Kompressor 54 die Ansaugluft vorverdichtet. Mit dem Öffnen des Einlaßventils 132 strömt das vorverdichtete Luft/Brennstoff-Ge misch in die Brennkammer und spült das restliche Verbrennungsgas aus dieser. Das Auslaßventil 134 wird geschlossen, sobald das Ausstoßen des restlichen Verbrennungsgases aus der Brennkammer abgeschlossen ist. Das Einlaßventil 132 wird geschlossen, wenn der Druck in der Brennkammer den Vorverdichtungspegel erreicht hat. Diese Vorgänge laufen wiederholt ab. Durch die Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennung unter Starklastbedingungen werden die Emission von Schadstoffen und der Brennstoffverbrauch merklich gesenkt.
  • Bei der Brennkraftmaschine der zweiten Ausführungsform wird der Kraftstoff durch das Brennstoffeinspritzventil 15 in den Einlaßkanal 12, der hochoktanige Brennstoff in Form von Wasserstoffgas durch das Brennstoffeinspritzventil 14 in die Brennkammer gespritzt. Bei einer modifizierten zweiten Ausführungsform kann der Kraftstoff durch das Brennstoffeinspritzventil 19 direkt in die Brennkammer gespritzt werden. In diesem Fall erfolgt das Direkteinspritzen des Kraftstoffs in die Brennkammer zu einem der in den 23 und 24 angedeuteten Zeitpunkten. 23 zeigt die Zeitpunkte beim Viertakt-Modus, 24A die Zeitpunkte unter Schwachlastbedingungen beim Zweitakt-Modus und 24B die Zeitpunkte unter Starklastbedingungen beim Zweitakt-Modus. Wie aus 23 hervor geht, erfolgt das Direkteinspritzen des Kraftstoffs durch das Einspritzventil 19 in die Brennkammer bei geöffnetem Einlaßventil 132 in der ersten Hälfte des Ansaughubs. Der eingespritzte Kraftstoff bildet zusammen mit der über das Einlaßventil 132 angesaugten Luft ein im wesentlichen homogenes Luft/Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer.
  • Beim Zweitakt-Modus wird der Kraftstoff durch das Brennstoffeinspritzventil 19 direkt in die Brennkammer gespritzt, wenn der Kolben 144 in der letzten Hälfte des Spülhubs den unteren Totpunkt überschritten hat. Zu diesem Zeitpunkt ist das Ausstoßen des Verbrennungsgases aus der Brennkammer im wesentlichen abgeschlossen. Dadurch wird das Austreten von eingespritztem Kraftstoff über das Auslaßventil 134 effektiv verhindert. Durch die vom heißen Verbrennungsgas bewirkte hohe Temperatur in der Brennkammer verdampft der eingespritzte Kraftstoff schnell und vermischt sich mit der angesaugten Luft zu einem im wesentlichen homogenen Luft/Brennstoff-Gemisch, bevor der Kolben 144 den oberen Totpunkt erreicht.
  • Die beschriebenen Ausführungsformen sind in allen Aspekten nur Erläuterungsbeispiele und stellen keine Einschränkung der Erfindung dar. Mögliche Modifikationen, Änderungen und Variationen der beschriebenen Ausführungsformen sind zum Geltungsbereich der beiliegenden Ansprüche gehörend anzusehen.
  • Die vorliegende Erfindung wird mehr durch die beiliegenden Ansprüche als durch die obige Beschreibung definiert.
  • Bei der erfindungsgemäßen Technologie wird ein erstes Brennstoff/Luft-Gemisch aus einem ersten Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis erzeugt, welches sich durch einfaches Komprimieren in der Brennkammer nicht selbst entzünden kann. Nach dem Erzeugen des ersten Brennstoff/Luft-Gemischs wird ein zweiter Brennstoff mit einer höheren Oktanzahl als die des ersten Brennstoffs in einen bestimmten Bereich der Brennkammer gespritzt, um ein zweites Brennstoff/Luft-Gemisch zu erzeugen. Das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch wird gezündet, verbrennt und komprimiert das erste Brennstoff/Luft-Gemisch, so daß dieses sich selbst entzündet. Da der zweite Brennstoff eine höhere Oktanzahl hat, ist der Verbrennungsbeginn des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs durch Zünden zuverlässig steuerbar. Gemäß dieser Technologie kann der Zeitpunkt für das Selbstzünden des ersten Brennstoff/Luft-Gemischs gesteuert werden. Das heißt, daß bei einer Brennkraftmaschine mit Vorgemischkomprimierselbstzündverbrennung durch Vorgabe des geeigneten Zündzeitpunktes Klopferscheinungen effektiv verhindert werden können.

Claims (21)

  1. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, bei welcher zur Erzeugung einer Leistung ein Gemisch aus Brennstoff und Luft in deren Brennkammer komprimiert und verbrannt wird und welche aufweist: einen Mechanismus zum Komprimieren des Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer, einen Modul zur Erzeugung eines ersten Brennstoff/Luft-Gemischs aus einem ersten Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis, welches beim Komprimieren in der Brennkammer durch den Kompressionsmechanismus sich nicht selbst entzündet, einen Modul zum Einspritzen eines vom ersten Brennstoff sich unterscheidenden zweiten Brennstoff in einen Teilbereich der Brennkammer zwecks Erzeugung eines zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs, und einen Modul zum Zünden des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs, um das erste Brennstoff/Luft-Gemisch zu komprimieren und dabei Selbstzünden dieses Gemischs auszulösen, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs vom Einspritzmodul einzuspritzende zweite Brennstoff Wasserstoffgas ist.
  2. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 1, welche außerdem aufweist: einen Modul zur Erzeugung eines dritten Brennstoff/Luft-Gemischs aus dem ersten Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis, welches beim Komprimieren in der Brenn kammer durch den Kompressionsmechanismus sich selbst entzündet, einen Modul zum Erfassen des von der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung zu erzeugenden erforderlichen Drehmomentes, und einen Steuermodul zum Ausschalten des ersten und des zweiten Moduls zur Erzeugung des ersten bzw. zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs, wenn das erfaßte erforderliche Drehmoment einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreitet.
  3. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 1, welche außerdem aufweist: einen Modul zur Erzeugung eines dritten Brennstoff/Luft-Gemischs aus dem ersten Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis, welches beim Komprimieren in der Brennkammer durch den Kompressionsmechanismus sich selbst entzündet, einen Modul zum Erfassen des von der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung zu erzeugenden erforderlichen Drehmomentes, und einen Modul zum Ausschalten des Moduls zur Erzeugung des dritten Brennstoff/Luft-Gemischs, wenn das erfaßte erforderliche Drehmoment einen vorbestimmte Grenzwert überschreitet.
  4. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 1, welche außerdem aufweist: einen Modul zur Erzeugung eines dritten Brennstoff/Luft-Gemischs aus dem ersten Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis, welches beim Komprimieren in der Brennkammer durch den Kompressionsmechanismus sich selbst entzündet, einen Modul zum Erfassen des von der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung zu erzeugenden Drehmoments, und einen Steuermodul, welcher den ersten und den zweiten Modul zur Erzeugung des ersten bzw. zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs ausschaltet, wenn das erfaßte erforderliche Drehmoment einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreitet, und den dritten Modul zur Erzeugung des dritten Brennstoff/Luft-Gemischs ausschaltet, wenn das erfaßte erforderliche Drehmoment den vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
  5. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 4, wobei der Steuermodul den Zündmodul ausschaltet, wenn das erfaßte erforderliche Drehmoment den vorbestimmten Grenzwert nicht überschreitet.
  6. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 1, welche außerdem aufweist: ein Zylindereinspritzventil zum direkten Einspritzen des zweiten Brennstoffs in die Brennkammer, wobei der Kompressionsmechanismus eine Kurbelwelle in Drehung setzt, um den Kolben in der Brennkammer aufwärts zu bewegen und das Luft/Brennstoff-Gemisch in dieser zu komprimieren, und der Modul zur Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs während des Kompressionshubs in einem Bereich zwischen 30° als Drehwinkel der Kurbelwelle vor dem oberen Totpunkt und diesem selbst, an welchem der Kolben nach dem Komprimieren des Luft/Brennstoff-Gemischs die Maximalhöhe erreicht, die Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs aus dem durch das Zylindereinspritzventil eingespritzten zweiten Brennstoff veranlaßt.
  7. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 6, wobei die Oberseite des Kolbens mit einer Ausnehmung versehen ist, in welcher aus dem durch das Zylindereinspritzventil eingespritzten zweiten Brennstoff das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird.
  8. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 7, wobei die Ausnehmung im wesentlichen in der Mitte der Kolbenoberseite vorhanden ist.
  9. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 7, wobei der Übergang einer Seite der Ausnehmung zur Kolbenoberseite wenigstens teilweise eine scharfe Kante bildet.
  10. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 7, wobei die zur Kolbenoberseite gerichtete Innenfläche der Brennkammer mit einer der Ausnehmung am Kolben gegenüber liegenden zweiten Ausnehmung versehen ist.
  11. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 7, wobei die Kolbenoberseite mit einer Nut versehen ist, entlang welcher der durch das Zylindereinspritzventil eingespritzte zweite Brennstoff in die Ausnehmung geleitet wird.
  12. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 6, wobei vom Modul zur Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs aus dem durch das Zylindereinspritzventil eingespritzten zweiten Brennstoff das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch zu einem bestimmten Zeitpunkt in bezug auf den Zündzeitpunkt dieses Gemischs durch den Zündmodul erzeugt wird.
  13. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 12, welche außerdem aufweist: einen Modul zum Erfassen eines die Zündzeitpunktverzögerung beeinflussenden Faktors, einen Modul zum Verzögern des Zündzeitpunktes des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs, wenn der erfaßte Faktor eine vorbestimmte Größe erreicht oder überschreitet, wobei der Modul zur Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs ein Element zum Verzögern des Einspritzzeitpunktes des zweiten Brennstoffs und somit des Zeitpunktes der Erzeugung dieses Gemischs in Kombination mit dem Verzögern des Zündzeitpunktes aufweist.
  14. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 13, wobei der vom Erfassungsmodul erfaßte, die Zündzeitpunktverzögerung beeinflussende Faktor entweder die Häufigkeit des Auftretens von Klopferscheinungen oder die Konzentration an Stickoxiden in dem aus der Brennkammer ausgestoßenen Abgas ist.
  15. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 1, welche außerdem ein Zylindereinspritzeventil zum direkten Einspritzen des zweiten Brennstoffs in die Brennkammer aufweist, wobei der Mechanismus zum Komprimieren des Brennstoff/Luft-Gemischs die Kurbelwelle in Drehung setzt, um den Kolben in der Brennkammer aufwärts zu bewegen und dabei das Luft/Brennstoff-Gemisch zu komprimieren, und der Modul zur Erzeugung des zweite Modul während des Kompressionshubs in einem Bereich von 90° bis 30° als Drehwinkel der Kurbelwelle vor dem oberen Totpunkt, an welchem der Kolben nach dem Komprimieren des Luft/Brennstoff-Gemischs die Maximalhöhe erreicht, die Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs aus dem durch das Zylindereinspritzventil eingespritzten zweiten Brennstoff veranlaßt.
  16. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 1, welche aufweist: einen Einlaßkanal, durch welchen Luft in die Brennkammer strömt, und ein Einlaßventil zum Öffnen und Schließen des Einlaßkanals, wobei der Modul zur Erzeugung des ersten Brennstoff/Luft-Gemischs dazu dient, aus dem in den Einlaßkanalabschnitt vor dem Einlaßventil eingespritzten ersten Brennstoff das erste Brennstoff/Luft-Gemisch zu erzeugen, und der Modul zur Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs dazu dient, aus dem in die Brennkammer gespritzten zweiten Brennstoff das zweite Brennstoff/Luft-Gemisch zu erzeugen.
  17. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 1, welche aufweist: einen Auslaßkanal, durch welchen das aus der Brennkammer ausgestoßene Abgas strömt, einen im Auslaßkanal angeordneten Katalysator zum Umwandeln der im Abgas enthaltenen Schadstoffe, und einen Modul zum Einleiten von zweitem Brennstoff in den Abgaskanalabschnitt vor dem Katalysator und zünden des eingeleiteten zweiten Brennstoffs zwecks Erwärmens des Katalysators.
  18. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 1, wobei der Kompressionsmechanismus die Kurbelwelle in Drehung setzt, um den Kolben in der Brennkammer aufwärts zu bewegen und dabei das Luft/Brennstoff-Gemisch in dieser zu komprimieren, und wobei die Brennkraftmaschine außerdem aufweist: ein Einlaßventil, welches synchron zur Drehung der Kurbelwelle betätigt wird und dabei den Einlaßkanal für Luft öffnet und schließt, ein Auslaßventil, welches synchron zur Drehung der Kurbelwelle betätigt wird und dabei den Auslaßkanal für Abgas öffnet und schließt, einen Umschaltmodul, welcher die Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen des Einlaßventils und des Auslaßventils ändert und dabei das Umschalten der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung vom Viertakt-Modus auf den Zweitakt-Modus und umgekehrt vornimmt, einen Modul zum Messen der Kurbelwellendrehzahl und einen Steuermodul zum Steuern des Umschaltmoduls, um die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung im Viertakt-Modus zu betreiben, wenn die gemessene Drehzahl nicht größer ist als ein vorbestimmter Grenzwert, die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung im Zweitakt-Modus zu betrieben, wenn die Drehzahl den vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
  19. Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß Anspruch 18, welche außerdem aufweist: einen Einlaßventilbetätigungsmodul, welcher wenigstens durch Zuführen von Elektroenergie oder/und durch Unterbrechen der Zuführung von Elektroenergie das Einlaßventil öffnet und schließt, und einen Auslaßventilbetätigungsmodul, welcher durch Zuführen von Elektroenergie oder/und durch Unterbrechen der Zuführung von Elektroenergie das Auslaßventil öffnet und schließt, wobei der Umschaltmodul den Zeitpunkt des Zuführens von Elektroenergie zum Einlaßventilbetätigungsmodul und zum Auslaßventilmodus oder/und des Zeitpunktes zum Unterbrechen des Zuführens von Elektroenergie zu diesen beiden Modulen steuert und dadurch das Umschalten des Antriebsmodus der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung vornimmt.
  20. Steuereinheit der Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, welche das Komprimieren und Verbrennen des aus Brennstoff und Luft zusammengesetzten Luft/Brennstoff-Gemischs in der Brennkammer steuert, um eine Leistung zu erhalten, und welche aufweist: einen Modul zur Erzeugung eines ersten Brennstoff/Luft-Gemischs aus einem ersten Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis, welcher das Selbstzünden dieses Gemischs durch Komprimieren in der Brennkammer verhindert, einen Modul zur Erzeugung eins zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs aus einem in einen Teilbereich der Brennkammer eingespritzten, vom ersten Brennstoff sich unterscheidenden zweiten Brennstoff, und einen Zündmodul zum Zünden des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs zwecks Komprimierens und Selbstzündens des ersten Brennstoff/Luft-Gemischs, dadurch gekennzeichnet, daß der Modul zur Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs Wasserstoffgas als zweiten Brennstoff einspritzt.
  21. Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, nach welchem das Luft/Brennstoff-Gemisch in der Brennkammer komprimiert und verbrannt wird, um eine Leistung zu erhalten, und welches aufweist: einen ersten Schritt zur Erzeugung des ersten Brennstoff/Luft-Gemischs aus einem ersten Brennstoff und Luft in einem bestimmten Verhältnis, welches Selbstzünden durch Komprimieren in der Brennkammer verhindert, einen zweiten Schritt zum Einspritzen eines vom ersten Brennstoff sich unterscheidenden zweiten Brennstoffs in einen Teilbereich der Brennkammer zur Erzeugung eines zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs, und einen dritten Schritt zum Zünden des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs zwecks Komprimierens und Selbstzündens des ersten Brennstoff/Luft-Gemischs, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Brennstoff zur Erzeugung des zweiten Brennstoff/Luft-Gemischs Wasserstoffgas ist.
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