DE69732860T2

DE69732860T2 - Verfahren zur verringerung der schadstoffemission in einem gleitscheibenverbrennungsmotor

Info

Publication number: DE69732860T2
Application number: DE69732860T
Authority: DE
Inventors: Brian D. Mallen; Robert Edward Jr. Seattle Breidenthal
Original assignee: BREIDENTHAL JUN
Current assignee: BREIDENTHAL JUN
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: WO1998029649A1; ATE291688T1; EP0988445A4; DE69732860D1; US5979395A; EP0988445B1; EP0988445A1; US5836282A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbrennungskraftmaschinen und insbesondere auf ein Verfahren zur Reduzierung von Emissionen eines 2-Takt-Gleitschiebermotors, bei dem die Schieber sowohl eine radiale als auch eine axiale Bewegungskomponente aufweisen.
Die Erfindung betrifft ganz allgemein die Klasse von Vorrichtungen, die als Verbrennungskraftmaschinen bekannt sind. Verbrennungskraftmaschinen erzeugen aus chemischer Energie, die im Brennstoff enthalten ist, mechanische Kraft, wobei diese Energie durch internes Verbrennen oder Oxidieren des Brenn- bzw. Kraftstoffs innerhalb der Verbrennungskraftmaschine freigesetzt wird.
Die Oxidation von Kohlenwasserstoffen bei höheren Temperaturen und Drücken, die mit Verbrennungskraftmaschinen verbunden ist, erzeugt jedoch wenigstens drei Hauptschadstoffarten:

1. Stickoxide (NO_x)
2. Kohlenstoffoxide (CO, CO₂)
3. Kohlenwasserstoffe (HC)

Kohlendioxid (CO₂) ist ein nicht-toxisches unvermeidliches By-Produkt des Kohlenwasserstoffverbrennungsprozesses und läßt sich nur in der absoluten Leistungsabgabe wirksam dadurch verringern, daß der Gesamtwirkungsgrad des Motors bei einem gegebenen Anwendungsfall erhöht wird. Die Hauptverschmutzungsbestandteile NO_x, CO und HC tragen erheblich zur globalen Verschmutzung bei und sind gewöhnlich diejenigen Verschmutzungsbestandteile, auf die sich die den Motor betreffenden Diskussionen beziehen. Andere Verschmutzungsbestandteile, beispielsweise Aldehyde, die den Alkoholkraftstoffen zugeordnet werden, und Verschmutzungsteilchen, die den Dieselmotoren zugeordnet werden, tragen ebenfalls zur globalen Verunreinigung bei. Im letzten Jahrzehnt wurde klar, daß die Reduzierung aller derartiger Verunreinigungen von globaler Wichtigkeit ist. Sie erzeugt deshalb einen Anstoß für verstärkte Forschung auf den Gebieten der Verschmutzungschemie und der Motorkonstruktion. Die Herstellung von Motoren bzw. Maschinen bezieht sich gegenwärtig auf Kolbenmotoren, Wankel- Rotationsmotoren und Turbinenmotoren, die sich in zwei grundlegende Kategorien unterteilen lassen, nämlich Verdrängermotoren und Turbinenmotoren. Bei Verdrängermotoren (Kolben- und Wankelmotoren) wird die Strömung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in bestimmte Volumina aufgeteilt, die vollständig oder beinahe vollständig durch feste Dichtungselemente voneinander isoliert sind, und zwar während des Motorzyklus, wobei durch die physikalischen Volumen Änderungen innerhalb einer Kammer Kompression und Expansion erzeugt wird.
Andererseits beruhen die Turbinenmotoren auf Fluid-Trägheitswirkungen zur Erzeugung von Kompressionen und Expansionen, ohne feste Isolierungskammern des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Was nun die Verunreinigungs- oder Verschmutzungsimmissionen anbelangt, so zeigen die Turbinenmotoren bis heute in den meisten Anwendungsfällen drei vorteilhafte Merkmale:

1. Niedrigere Spitzenverbrennungstemperaturen;
2. Längere Verbrennungsdauer; und
3. Ärmeres Kraftstoff-Luft-Verhältnis.

Aufgrund dieser drei Merkmale sind die Verunreinigungsemissionen von NO_x, CO und HC bei einem Turbinenmotor normalerweise geringer als bei einem Kolbenmotor oder Wankelmotor. Die bedeutend geringeren Spitzenverbrennungstemperaturen, die weitgehend durch das ärmere Kraftstoff-Luft-Verhältnis erreicht werden, reduzieren die NO_x-Emissionen durch Verringerung der Bildungsgeschwindigkeit von NO_x, während die längere Verbrennungsdauer und das ärmere Kraftstoff-Luft-Verhältnis zu einer Verringerung der CO- und HC-Emissionen führen, und zwar aufgrund der Oxidation dieser Verbindungen.
Ein Merkmal der Turbinen hat jedoch bei den meisten Konstruktionen bis heute die Höhe der NO_x-Reduzierung begrenzt, nämlich die Tatsache, daß der Kraftstoff und die Luft vor der Verbrennung nicht hinreichend vermischt werden. Selbst wenn die durchschnittliche Spitzenverbrennungstemperatur niedrig ist, begrenzt die unzureichende Vermischung vor der Verbrennung in erheblichem Maße das Ausmaß der NO_x-Reduzierung. Dieser Effekt wird bei herkömmlichen Diesel- und Turbinenmotoren beobachtet und im folgenden erläutert.
Bestimmte neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der Gasturbinen wie beispielsweise diejenige, bei denen die Turbinen mit "Doppelkonus"-Brenner versehen werden, stellen ausgefallene Mittel dar, die eine angemessene Vormischung von Kraftstoff und Luft vor der Verbrennung ermöglichen und haben in der aktuellen Produktion die Gültigkeit von Theorien bewiesen, die die Vormischung als wesentlich für die Reduzierung der NO_x-Emissionen stützen. Somit wurden neuerdings auf dem Gasturbinenmaschinenfeld Konstruktionen entwickelt, die gleichzeitig NO_x-, CO- und HC-Emissionen auf weniger als 25 ppm reduzieren, und zwar jeweils ohne katalytische Abgasbehandlung, oder grob gesehen, um den Faktor 100 unter dem modernen Kolbenmotor mit Fremdzündung.
Turbinenmotoren sind jedoch für die meisten Hauptanwendungsfälle (insbesondere Kraftfahrzeuge) wegen der hohen Kosten, der geringen Teillastleistung und/oder der niedrigen Effizienz bei kleineren Abmessung, nicht praktikabel, so daß Verdrängungsmotoren, beispielsweise die Kolben- oder Wankelkonstruktionen, für diese Anwendungsfälle verbleiben. Im Handel erhältliche Kolben- und Wankelkonstruktionen bieten schwache Emissionswerte und/oder erfordern zur Reduzierung der Emissionen katalytische Wandler. Selbst mit katalytischen Wandlern ist jedoch der Ausstoß an Verschmutzungsstoffen erheblich höher als gewünscht, nämlich im Bereich von einigen hundert bis einigen Tausend ppm NO_x, CO und HC, für die meisten Anwendungsfälle. Dazu kommen hohe Kosten, ein Hauptnachteil der Verwendung katalytischer Wandler, wenn ihr Wirkungsgrad im Laufe der Zeit nachläßt, wodurch Inspektionen und Austausch zur Aufrechterhaltung der Leistungsfähigkeit erforderlich werden.
Im Lichte der o. g. Fakten besteht deshalb Bedarf an einem Verfahren zur Reduzierung von Emissionen in Verdrängungsmotoren im Lichte der oben erörterten verbesserten Turbinenmotoren, ohne daß katalytische Wandler erforderlich werden.
Die US 5 524 586 (Mallen) offenbart ein Verfahren zur Reduzierung der Abgasverschmutzungsemissionen bei einer Gleitschieberverbrennungskraftmaschine. Nach der Vormischung wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch in eine Schieberzelle eingeleitet, verdichtet und dann bei einer Spitzenkompompression verbrannt. Danach wird das verbrannte Gas-Kraftstoffgemisch nach einem Expansionszyklus ausgestoßen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Reduzierung von Abgasverschmutzungsemissionen bei einer mit Verdrängung arbeitenden Zwei-Takt-Gleitschieberbrennkraftmaschine gerichtet, die eines oder mehrere der aufgrund der Beschränkungen und Nachteile des diesbezüglichen Standes der Technik auftretenden Probleme im wesentlichen vermeidet. Genauer gesagt, ist die Maschine ein Zweitaktgleitschieberverbrennungsmotor, bei dem die Schieber mit einer axialen und/oder radialen Bewegungskomponente gleiten, und zwar ensprechend dem vorliegenden Verfahren, um dadurch in Bezug auf die NO_x-, CO- und HC-Emissionen ein niedrigeres oder reduziertes Emissionsumfeld zu erreichen.
Computersimulationen haben gezeigt, daß das vorliegende Verfahren das Potential aufweist, um NO_x-, CO- und HC-Spiegel zu erreichen, die alle um etwa mehrere 100 ppm oder tiefer liegen, und zwar bestimmt durch anerkannte chemische Berechnungen, eine Tatsache, die grob betrachtet einen Faktor 10 oder mehr unter den Spiegeln der gegenwärtigen Kolbenverbrennungsmotoren mit Fremdzündung liegt. In diesem Zusammenhang bedeuten reduzierte Emissionen Spiegel für NO_x, CO und HC, die unter den durch die Hauptmasse der herkömmlichen Verbrennungskolbenmaschinen mit Fremdzündung ohne katalytische Umwandler oder Abgasbehandlung erzeugten liegen.
Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zur Reduzierung von Abgasverschmutzungsemissionen bei einer Zweitakt-Gleitschieberverbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, die mit Schiebern versehen ist, welche wenigstens eine radiale oder axiale Bewegungskomponente haben und die in einer Ansaugphase wirksame Spiegel Abgase oder Verdünnungsgase außer Frischluft enthält, wobei das Verfahren aus den folgenden Schritten besteht:
Einleitung eines Kraftstoff-Gas-Gemisches in eine Schieberzelle;
Komprimierung des Kraftstoff-Gas-Gemisches;
Verbrennung des Kraftstoff-Gas-Gemisches; und
Spülung des verbrannten Kraftstoff-Gas-Gemisches nach einem Expansionszyklus, wobei das Kraftstoff-Gas-Gemisch in einem Äquivalenzverhältnis eingeleitet wird, das unter 1,0 liegt und ein Verdünnungsverhältnis wenigstens als 0,65 vorhanden ist, und zwar an einer Stelle, die so gewählt ist, daß ein Umfangsabstand in Mitten-Zelle-Höhe zur Statorlage zu Beginn der Verbrennung wenigstens etwa das Vierfache einer Schieberzellenhöhe an der Ansaugstelle beträgt, wobei darüber hinaus das Kraftstoff-Gas-Gemisch komprimiert wird, während ein dimensionsloser Bestandteil an sich verändernder Konzentration vor Beginn der Verbrennung weniger als 0,25 beträgt.
Bei herkömmlichen Verdrängermotoren ergibt sich oftmals ein notwendiger Abschlag an Verunreinigungen als Folge der grundlegenden Einstellung der chemischen Stoffe, die bei der Emission abgegeben werden. Als Beispiel hierfür sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch gefahren wird, das das NO_x absenkt, die CO- und HC-Emissionen sich erhöhen und umgekehrt, weil Temperatur, Druck und Zeitdauer auf Konzentrationen dieser beiden Verunreinigungsgruppen in der Umgebung derartiger Motoren entgegengesetzte Wirkungen haben. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Schiebermotorengeometrie läßt sich der bisherige Zwang zum Kompromiß beim Emissionsmanagement vermeiden, und es lassen sich niedrige Spiegel oder Niveaus aller wesentlichen Verunreinigungsbestandteile erreichen.
Andere besondere Kennzeichen, die bei der Gleitschiebermotorkonstruktion möglich sind, sind in den US-Patenten 5 524 586, 5 524 587 sowie US-Patentanmeldung Nr. 08/605 836 vom 22.04.1996 mit dem Titel "Equivalence-Boosted Sliding Vane Internal Combustion Engine" von Mallen sowie der US-Patentanmeldung Nr. 08/605 837 vom 22.02.1996 mit dem Titel "Five-Cycle Sliding Vane Internal Combustion Engine" von Mallen enthalten, so beispielsweise die hohe Energiedichte und ein Minimum an freiliegender Schmierung. Weitere Unterscheidungsmerkmale betreffen die praktische Anwendbarkeit der Schieberkonstruktion zur Erreichung eines ultra-armen Kraftstoff-Luft-Gemisches bei minimalem Gewicht, maximalem Wirkungsgrad und einem Minimum an Verunreinigung. Diese Merkmale des vorliegenden Verfahrens sind im folgenden im Vergleich zu den herkömmlichen Motortypen zusammenfassend dargestellt.
Was den zweiten (Kraftstoffeinspritzung) und vierten (Verbrennung) Schritt des vorliegenden Verfahrens anbelangt, so sei darauf hingewiesen, daß die herkömmlichen Dieselmotoren die Luft und den Kraftstoff vor der Verbrennung nicht adäquat vormischen und daher bei allen Energieabgabeeinstellungen keine niedrigen NO_x-Emissionen erreichen. Versuche, diese Dieselmotoren zu ändern, um eine gründliche Vormischung zu erreichen, führen bei den meisten Anwendungsfällen zu einem schlechten Timing der Verbrennung. Dieser Verlust an zeitlicher Abstimmung oder Steuerung ergibt sich aus einem wesentlichen Nachteil der herkömmlichen Verdrängungsmotoren, der darin besteht, daß kein körperlicher Be reich ständig der Verbrennungsphase ausgesetzt ist. Aufgrund dieser Unzulänglichkeit stehen diesen Motoren keine praktischen Mittel zur Verfügung, um die Selbstzündung einer gut vorgemischten, ultraarmen Charge über sich ändernde Drehzahlen und Bedingungen hinweg einzuleiten und verläßlich durchzuführen.
In chemischer Hinsicht ist eine adäquate Vormischung von Luft und Kraftstoff vor der Verbrennung notwendig, obgleich sie keine ausreichende Bedingung dafür darstellt, niedrige NO_x-Emissionen in einen praktikablen Motor zu realisieren. Diese Motoren sind dadurch gekennzeichnet, daß ein armer oder magerer Kraftstoffanteil in das Gas eingespritzt wird, das auf ein Niveau vorkomprimiert ist, welches für eine rasche Selbstzündung ausreicht. Obgleich bei dem Dieselmotor vor der Verbrennung eine gewisse Vermischung erreicht werden kann, haben neuere Studium über von vorhandenen Apparaten erreichbare Mischgeschwindigkeit ergeben, daß keine ausreichende Zeit für eine vollkommene Vormischung zur Verfügung steht. Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren als Grundprinzip der Verbrennung eines mageren Gemisches die Selbstzündung benutzt, handelt es sich in technischer Hinsicht nicht um einen Dieselmotor, da der Kraftstoff bei dem erfindungsgemäßen Verfahren während der Kompression und vor Beginn der Verbrennung eingespritzt und dann vollständig gemischt wird. Darüber hinaus erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffs in die Kammer im Zyklus früher als bei dem herkömmlichen Dieselmotor. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß die Kraftstoffeinspritzung beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht als Mittel zur zeitlichen Steuerung des Verbrennungsprozesses dient, wie dies bei dem herkömmlichen Dieselmotor der Fall ist.
Was den Verbrennungsschritt beim erfindungsgemäßen Verfahren anbelangt, d. h. die Verbrennung der Kraftstoff-Luft-Kombination während des Anschlusses an eine U. C. D. ist darauf hinzuweisen, daß die herkömmlichen Verdrängungsmotoren mit Funkenzündung ein derartiges ultraarmes Kraftstoff-Luft-Gemisch nicht verläßlich und zweckmäßig verbrennen können. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die funkeninduzierte Flammenfront von den Grundlagen der Verbrennung abhängt, und ein ultraarmes Gemisch nicht ermöglicht, daß ein derartiges Fortschreiten der Flamme innerhalb des sehr kurzen Spitzenkompressionsprofils/Expansionsprofils der Kolbenmotorgeometrie oder Wankelmotorgeometrie stattfindet. Aus diesem Grund sind Versuche, eine zuverlässige ultra-magere Verbrennung über einen praktikablen Bereich von Vertriebsgeschwindigkeiten und Bedingungen innerhalb der herkömmlichen Verdrängermotoren zu erreichen, fehl geschlagen. Die hier beschriebene U. C. D. erstreckt wirksam den Spitzenkompressionsbereich, indem sie für jede Schieberzelle eine Heißgasinjektion vorsieht, um die Verbrennung zum richtigen Zeitpunkt einzuleiten und mit ausreichender Dauer sicherzustellen. Die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen somit einem Gleitschiebermotor, bei sehr viel mageren Kraftstoff-Luft-Verhältnissen als mit herkömmlichen Funkenzündmotoren möglich, zuverlässig zu arbeiten.
Zusammenfassend kann also durch das erfindungsgemäße Verfahren im Gegensatz zu dem herkömmlichen Funkenzündmotor eine verläßliche Verbrennung eines ultra-mageren Kraftstoff-Luft-Gemisches über einen praktischen Bereich von Motordrehzahlen und Betriebsbedingungen erzielt werden. Im Gegensatz zu dem Dieselmotor kann bei der erfindungsgemäßen ultra-mageren Kraftstoff-Luft-Ladung vor dem richtig getimten Verbrennungsbeginn eine vollständige Vormischung erreicht werden. Der Gleitschiebermotor ermöglicht außerdem eine kontinuierliche Einspritzung von Kraftstoff während des Induktions-/Kompressionsprozesses, wodurch dieser Prozeß vereinfacht wird. Die günstige Wirkung auf die Immissionschemie dieser Unterschiede sowie anderer Vorteile und weitere Betrachtungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Das vorliegende Verfahren läßt sich in Verbindung mit dem US-Patent 5 524 586, dem US-Patent 5 524 587, der US-Patentanmeldung 08/605 836 vom 22.04.1996 mit dem Titel "Equivalence-Boosted Sliding Vane Internal Combustion Engine" für Mallen und der US-Patentanmeldung 08/605 837 vom 22.02.1996 mit dem Titel "Five-Cycle Sliding Vane Internal Combustion Engine" für Mallen verwenden. Teile dieser Patente und Anmeldungen sind in geeigneten Abschnitten zur Erleichterung der Bezugnahme und Diskussion wiedergegeben.
Der Zwei-Takt-Gleitschiebermotor, der hier beschrieben wird, ermöglicht höhere Kraft-zu-Gewicht- und Kraft-zu-Größen-Verhältnisse als mit einem Vier-Takt-Gleitschiebermotor. Dieser Vorteil ist das Resultat erheblicher reduzierter Schieberbeschleunigungen und Trägheitkräfte bei gegebener Drehzahl und Motorgröße für die Zwei-Takt-Ausführung. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es einen eine geringe Verschmutzung erzeugenden Zwei-Takt-Gleitschiebermotorbetrieb beschreibt, bei dem der Kraftstoff nicht vor der Einleitung von Frischluft in die Schieberzelle eingespritzt werden muß. Somit können die Abgabe mit Frischluft gespült werden (Schritte 1 und 5), ohne daß Be sorgnis besteht, daß Kraftstoff in den Abgasstrom gelangt und Verschmutzungen sowie Kraftstoffwirkungsgrad-Verluste erzeugt. Eine solche Betriebsweise stellt über einen weiten Bereich Betriebsbedingungen und Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten für einen Zweitakt-Gleitschiebermotor eine zuverlässige, verschmutzungsarme Leistungsabgabe sicher.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der detaillierten Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei gewisse Abmessungen übertrieben dargestellt und verzerrt sind, um die Erfindungsmerkmale besser erkennen zu lassen. In der Zeichnung zeigen:
1A eine seitliche Querschnittsansicht eines Gleitschiebermotors mit einer radialen Bewegungskomponente für die Schieber, der für das erfindungsgemäße Verfahren brauchbar ist;
1B eine seitliche Querschnittsansicht des Gleitschiebermotors von 1A mit einer anderen Ansaugleitungskonstruktion;
2A eine untere äußere Stirnansicht des Gleitschiebermotors mit einer Ansaug- und Abgasleitungsausführungsform;
2B eine untere äußere Stirnansicht des Gleitschiebermotors mit einer anderen Ausführungsform der Ansaug- und Abgasleitung;
2C eine untere äußere Stirnansicht des Gleitschiebermotors mit einer weiteren anderen Ausführungsform der Ansaug- und Abgasleitung;
3A eine perspektivische Vorderansicht der Schiebermotoreinleitungsöffnung mit Wirbelerzeugern, die in der Lage sind, vor Beginn der Verbrennung eine Vormischung zu erzeugen;
3B eine quergeschnittene Draufsicht der Wirbelerzeuger von 3A;
3C eine quergeschnittene Seitenansicht der Wirbelerzeuger von 3A;
3D eine Vorderansicht der Wirbelerzeuger von 3A;
4 eine schematische Darstellung der Stufen der Ansaugkomposition, Verbrennung, Expansion und des Ausstoßes im Hinblick auf eine gerade gerichtete Rotorform, die für einen Gleitschiebermotor mit einer axialen, radialen oder Kombination aus beiden bestehenden Bewegung der Schieber verwendbar ist;
5 eine Kurve, die Kompressionsverhältnisprofile für einen herkömmlichen Kolbenmotor und für einen Motor gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
6A eine alternative seitliche Schnittansicht eines Gleitschiebermotors, der die Ableitung der heißen verbrannten Gase in eine nachfolgende Schieberzelle zeigt, und zwar über eine bestimmte im Stator befindliche Leitung; und
6B eine alternative seitliche Querschnittsansicht eines Gleitschiebermotors, die die Ableitung der heißen verbrannten Gase in eine nachfolgende Schieberzelle durch ein Zurückziehen des Kammerpfades zeigt.
Beschreibung der Erfindung
Es wird nun im Detail Bezug genommen auf eine Ausführungsform eines Zweitakt-Gleitschiebermotors, von dem ein Beispiel in der Zeichnung dargestellt ist, und zwar ausführlich detailliert, um das erfindungsgemäße Verfahren in geeigneter Weise zu beschreiben.
Bei dieser Ausführungsform wird eine Motorkonstruktion benutzt, die sich hin- und herbewegende Schiebe raufweist, welche sich synchron in der Relativdrehung des Rotors und der Form der Kammeroberfläche ausstrecken und zurückziehen, so daß kaskadenartig aufeinander folgende Kompressions- und Expansionszellen gebildet werden, wodurch die wesentlichen Komponenten eines Motorzyklus entstehen.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Gleitschieber-Maschinen-Vorrichtung, die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzt werden kann, ist in 1A dargestellt und wird ganz allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Der Motor enthält einen Rotor 22, der in Gegenuhrzeigerrichtung, wie durch den Pfeil R in 1A angezeigt, sich um die Rotorwelle 21 dreht. Der Rotor 22 dreht sich auch im Uhrzeigersinn. Der Rotor 22 enthält mehrere Schieber 24, die in Schieberschlitzen 25 in radialer Richtung gleiten und eine Vielzahl von Schieberzellen 29 bilden. Ein Stator 26 bildet die, grob gesehen, kreisrunde Form der Außenoberfläche der Kammer.
Der dargestellte Motor arbeitet mit einem Zweitaktzyklus, um das Kraft-Gewichts-Verhältnis und Kraft-Größen-Verhältnis des Motors zu maximieren. Der Frischlufteinlaß I und der Abgasausstoß E erfolgen im Bereich 30, dem Ausstoßbereich des Motorzyklus. Bei jeder Umdrehung des Rotors 22 erfolgt ein kompletter Motorzyklus. Wie in der äußeren Stirnansicht des Schiebermotors von 2A ersichtlich, strömt die Frischluft zunächst durch eine Einlaßvorrichtung 210 an beiden Enden des Motors in entgegengesetzten axialen Richtungen in den Motor hinein, während das Abgas durch die Abgasvorrichtung 215 an beiden Enden des Motors ausgestoßen wird.
Die Einlaßvorrichtung 210 und die Auslaßvorrichtung 215 bestimmen den Ausstoßbereich 30, wie in 1A gezeigt. Die Einlaß- und Auslaßvorrichtungen können unterschiedliche Geometrien haben, beispielsweise kreisrunde oder quadratisch geformte Leitungen sein. Lage, Versetzung, Strömungswinkel, Größe und Form sind so gewählt, daß ein adäquater Luftstrom, Ausstoß und eine Kraftstoffvermischung entsprechend dem vorgesehenen Verfahren stattfinden, das im einzelnen in der Beschreibung erläutert wird. Eine oder mehrere Einlaß- und Auslaßöffnungen können an einem oder beiden axialen Enden und/oder an dem Außenumfang des Motors angeordnet sein. Der Ausstoßbereich 30 braucht zwischen den Kompressions- und Expansionszyklen nicht mittig angeordnet zu sein, sondern kann zu der einen Seite verschoben sein. So kann beispielsweise der Ausstoßbereich zur Kompressionsseite hin verschoben sein, um einen Überexpansions- oder Atkinson-Zyklus zu erreichen, und zwar als Mittel für eine weitere Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades.
Als Beispiel für diese Variationen ist in 2B eine einzige Einlaßvorrichtung 210 und Auslaßvorrichtung 215 dargestellt, die an den entgegengesetzten axialen En den des Stators 26 liegen. In 2C ist eine einzelne Einlaßvorrichtung 210 und eine Auslaßvorrichtung 215 auf entgegengesetzten axialen Enden des Stators 26 angeordnet, die unter einem Winkel in Bezug auf den Stator 26 und Rotor geneigt sind. Die schräge Ausrichtung der Leitungen in 2C hat gewisse Vorteile. Da der Einlaßluftstrom in Richtung der sich beschiebenden Schieber schräg erfolgt, wie durch die Drehung R des Rotors dargestellt ist, werden Druckverluste verkleinert, da die Luft beim Eintreten und Austreten aus dem Motor weniger Richtungsänderungen unterliegt. Auch läßt sich der Ausstoßwirkungsgrad durch die schräge Einlaßleitungsform 10 und Austrittsleitungsform 215 vergrößern, weil der Einlaßstrom nahe an dem vorderen Schieber der Schieberzelle mehr Abgabe einzieht. Die schräge oder winkelförmige Leitungskonfiguration von 2C läßt sich auch für die Vielzahl von Einlaß- und Austrittsleitungen, die in 2A gezeigt ist, verwenden.
Wie 3A ersichtlich, lassen sich wirbelerzeugende Vorrichtungen 40 vor dem Eintrittsbereich, innerhalb des Eintrittsbereiches, nach dem Eintrittsbereich oder mit einer bestimmten Kombination solcher Bereiche verwenden, um den Kraftstoff F (von der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 38) und die Eintritts- oder Ansaugluft I innig miteinander zu vermischen und dadurch eine Kraftstoff-Luft-Kombination C zu erreichen. Die wirbelerzeugenden Einrichtungen 40 wirken derart, daß sie Wirbel entstehen lassen, um dadurch die Kraftstoff-Luft-Kombination C vor Beginn der Verbrennung intensiv zu vermischen. Alternative Mittel zur Schaffung einer solchen Vermischungsturbulenz sind in dem US-Patent 5 524 587 beschrieben. Die dargestellten Wirbelerzeuger 40 erzeugen innerhalb des Luftstroms gegeneinander rotierende Wirbel. Einer oder mehrere Wirbel lassen sich auch an den Einlaßöffnungen erzeugen, wobei die Drehrichtungen entweder ausgerichtet oder mit anderen Wirbeln nicht ausgerichtet sind. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser Konfiguration erzeugt anfänglich Wirbel, die sich einem Streckungsverhältnis von annähernd 1 nähern, so daß die Querschnittshöhe des Wirbels und seine Breite am Eintritt der Schieberzelle etwa gleich sind.
Die Wirbelgeneratoren 40 arbeiten wie unter einem Winkel α von etwa 20 ° in Bezug auf die Ebene des freien Strömungsflusses geneigte Tragflächen, die ein geringes Streckungsverhältnis aufweist, wobei die Luftströmung annähernd lotrecht zu den Leitungswänden der Leitung 210 bei dem in 3C dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt. Diese Tragflächen weisen die Form von Deltaflügeln mit einer um etwa 60 ° abgeschrägten Vorderkante auf, wie dies in der Querschnitts draufsicht der Ansaugleitung 210 in 3B dargestellt ist. Die entgegengesetzten Deltaflügel besitzen einen Überkreuzungspunkt "P" an oder nach dem Flügelmittelpunkt, wie aus 3C ersichtlich. Was die Seitenwände der Leitung 210 anbelangt, so ragt jeder Deltaflügel um etwa 40 % der Leitungsbreite in die Leitung, wie in der Vorderansicht der Leitung 210 in 3D dargestellt.
Änderungen dieser Parameter und anderer Kennzeichen können innerhalb bestimmter Anwendungsfälle das Leistungsgemisch weiter optimieren. Natürlich lassen sich auch kleinere und größere Tragflächenwinkel α innerhalb des Vorschlags der vorliegenden Erfindung benutzen. Jedoch ist abzusehen, daß ein zu kleiner Winkel α von beispielsweise weniger als etwa 10 ° für gewisse Anwendungsfälle nicht in der Lage ist, ausreichend starke Wirbel zu erzeugen, um eine adäquate Vermischung des Kraftstoffs und der Luft vor der Verbrennung sicherzustellen. Obgleich größere Tragflächenwinkel α die Mischgeschwindigkeit erhöhen können, kann, wenn α zu groß ist, beispielsweise größer als 30 bis 45 °, in gewissen Anwendungsfällen der Luftstrom unterbrochen werden und dadurch ein unerwünschter Strömungszustand entstehen.
Es versteht sich des weiteren, daß die Wirbelerzeuger 40 auch einen rechteckigen Querschnitt, wie in den 3A und 3C dargestellt, haben können oder eine herkömmliche gewölbte Tragflächenform, und zwar entweder symmetrisch oder asymmetrisch. Die gewölbte Tragflächenform kann auch größere Tragflächen im Winkel α ermöglichen, bevor eine unerwünschte Blockierung entsteht.
Dazu kommt, daß der Tragflächenwinkel α für jedes Tragflächenpaar nicht derselbe sein muß. Das heißt, eine Tragfläche kann unter 13 ° geneigt sein, während die andere unter einem Winkel von 20 ° geneigt sein kann.
Andere Einrichtungen zur Erzeugung von Wirbeln können ein oder mehrere Keile aufweisen, die aus der Eintrittsleitungswand (Wänden) herausragen. Dieser Keil steht von der Leitungswand in Richtung des Luftstroms rampenförmig ab und erzeugt gegenläufig rotierende Wirbel. Eine solche Vorrichtung ist jedoch ein geringer wirksamer Mischer und blockiert den Leitungsbereich mehr als das hier beschriebene kleine Tragflächenstreckungsverhältnis.
Eine Einrichtung zur Steuerung der Gleitbewegung der Schieber 24 ist mit Stiften 32 versehen, wie in 1A gezeigt, die aus beiden axialen Enden der Schieber hervorragen. Diese Stifte 32 laufen in Rinnen (nicht gezeigt), die in den fixen Enddichtungsplatten 27 (siehe 2A) des Motors enthalten sind. Die Rinnen sind gegen die Motorkammer nicht geöffnet und können auf diese Weise mit einem Trockenfilm, Öl oder Kraftstoff oder einer Kombination dieser Stoffe geschmiert werden, ohne daß erhebliche Schmiermittelverschmutzungsprobleme entstehen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch andere Führungselemente für die Schieber Verwendung finden.
Die Spitzen der Schieber brauchen die Kammeroberfläche des Stators 26 nicht zu berühren. Somit muß die Statoroberfläche nicht mit einer Ölschmierung versehen werden, wodurch höhere Wandtemperaturen ermöglicht werden und ein signifikant verbesserter thermischer Wirkungsgrad sowie eine Verringerung der HC- und CO-Emissionen erreicht werden. Eine oder mehrere Hochtemperatur-Isolierungsauskleidungen 36 können, wie in 1A gezeigt, verwendet werden, um höhere Kammeroberflächentemperaturen auf den exponierten Statoroberflächen zu ermöglichen. Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren NO_x-, CO- und HC-Emissionen erheblich verringert, wenn ein Schmiermittel auf Kohlenwasserstoffbasis an der Statoroberfläche benutzt wird, sind die Pegel der CO- und/oder HC-Emissionen im Vergleich zu denjenigen ohne ein solches Schmiermittel erhöht. Die oben erwähnte US-Patentanmeldung 08/605 837 beschreibt eine rollende Schieber- zu Schlitz-Zwischenschichtkonstruktion, die den Bedarf an Schmiermittel in dem Motor verringert. Ein auf diesem Gebiet tätiger Fachmann weiß, daß zusätzlich zur Minimierung der Ölschmierung eine Optimierung des Kompressionsverhältnisses und Minimierung der Wandkühlung, der Spaltvolumina und nicht umgewälzter ausgeblasener Gase anzustreben ist, um die Reduzierung der CO-und HC-Emissionen für die Umsetzung der Erfindung in der Praxis zu optimieren.
4 zeigt, wie das Ausführungsbeispiel aussehen würde, wenn der Rotor abgewickelt oder geradegerichtet würde. Diese Figur stellt somit alternative Ausführungsformen dar, bei denen die Schieber mit einer axialen Komponente der Schieberbewegung gleiten oder mit einem Vektor, der sowohl axiale als auch radiale Komponenten enthält. Man erkennt, daß die Schieber in 4 auch unter einem beliebigen Winkel oder orthogonal zur dargestellten Ebene ausgerichtet sein können, wobei die Schieber ebenfalls mit einer diagonalen Bewegung gleiten, und zwar zusätzlich zu beliebigen Axial- oder Radialkomponenten. Die Schieber können auch genau gekrümmt sein und in gleichermaßen gekrümmten Schlitzen sich hin und her bewegen. Es läßt sich eine beliebige Anzahl von Schiebern ver wenden und die Anzahl kann helfen, die Leistung für einen gegebenen Anwendungsfall zu optimieren. Auch können Kammern auf beiden Seiten des Rotors 22 vorhanden sein, wie in 4 gezeigt.
Die Vorrichtung von 4 ist ganz allgemein mit dem Bezugszeichen 120 bezeichnet und enthält dieselben Komponenten wie die Vorrichtung von 1A. Wo immer möglich, wurden dieselben Bezugszeichen zur Bezeichnung derselben oder gleichen Teile benutzt. Die Vorrichtung von 4 enthält einen Rotor 2, der sich in Bezug auf den Stator in der durch den Pfeil R gezeigten Richtung dreht. Der Rotor 22 kann sich auch in Bezug auf den Stator in der entgegengesetzten Richtung drehen. Der Rotor 22 beherbergt mehrere Schieber 24, die in Schieberschlitzen 25 in axialer Richtung gleiten, wie dargestellt, wobei die Schieber 24 eine Vielzahl von Schieberzellen 29 begrenzen. Ein Stator 26 bildet die Kammeraußenumrißoberfläche, und diese Form oder Kontur kann eine beliebige Anzahl von Gestalten annehmen, die in der praktischen Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen.
Das Verfahren läßt sich auf Motoren mit einer oder mehreren Kammern oder vollständigen Zyklen pro Umdrehung anwenden. Das Verfahren läßt sich aber auch für einen Motor anwenden, bei dem die Relativbewegung des Rotors und des Stators aufrechterhalten werden, wobei jedoch der "Stator" tatsächlich rotiert und der "Rotor" tatsächlich feststeht, oder wo beide sich relativ zueinander entgegengesetzt drehen. Des weiteren läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch auf eine Ausführungsform anwenden, bei der der Rotor den Stator umgibt, wobei die Schieber mit einer radial nach innen gerichteten Komponente in Richtung des inneren Stators zeigen, der dann die Form einer Kurvenbahn aufweisen würde und nicht nach außen in Richtung auf eine Statorschale zeigen würde, wie in 1A dargestellt.
Der vollständige Zwei-Takt-Motorzyklus ist in 4 gezeigt und arbeitet in derselben Weise wie der Zweitaktzyklus, der in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben wurde, weshalb ersterer hier nicht weiter diskutiert wird. Es wird darauf hingewiesen, daß die Schritte dieses Verfahrens auch auf einen Vier-Takt-Zyklus in einem Gleitschiebermotor anwendbar sind. Der Vorteil der Kraftstoffeinspritzung nach der Einführung von Frischluft ist jedoch bei der Viertaktkonstruktion ins Auge fallend, so daß sich herkömmliche Kraftstoffeinspritzung und Vormischung vor der Frischlufteinführung hier schnell benutzen lassen.
Nachdem im obigen die Ausführungsformen anhand von Beispielen beschrieben worden sind, wird im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezug auf die 1 bis 3 näher erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit einem beliebigen Kraftstoff oder mit beliebigen Kraftstoffgemischen verwenden, zu denen beispielsweise herkömmliches Benzin, Dieselkraftstoffe, Kerosine, Naturgas, Methan, Alkohol-Typ-Kraftstoffe wie beispielsweise Methanol und Äthanol und Wasserstoff gehören. Zur Vereinbarung und leichteren Diskussion wird der allgemeine Begriff "Kraftstoff' in der gesamten Beschreibung benutzt.
Der erste Verfahrensschritt betrifft die Einführung von Frischluft in eine Schieberzelle. Die Frischluftladung braucht nicht vollständig Frischluft zu sein, sondern kann auch beispielsweise umgewälzte Abgase oder Ausblasgase enthalten. In technischer Hinsicht läßt sich jede beliebige Ansaugcharge, die ein wirksames Oxidationsmittel für Brennstoff enthält, als "Frischluft" verwenden. Die Frischluft kann außerdem unverbrannten Kraftstoff enthalten, der entweder zur späteren Verbrennung eingespritzt wurde oder als Leckage von dem vorhergehenden Motorzyklus herantransportiert wird, um zurückgeführt und in dem folgenden Motorzyklus verbrannt zu werden. Wie in einem späteren Abschnitt, der sich mit dem Spülprozeß befaßt, beschrieben, lassen sich beliebige bekannte Einrichtungen zur Luftbewegung benutzen, um auf diese Weise die Frischluftzufuhr zu bewerkstelligen. Wie erläutert, können turbulenzerzeugende Vorrichtungen, beispielsweise Wirbelgeneratoren 40, in dem Zufuhrverfahren Verwendung finden, um Luft und Kraftstoff zu vermischen, bevor die Verbrennung beginnt, nachdem der Kraftstoff eingespritzt worden ist, und zwar gesteuert durch die Parameter der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, wie im folgenden erläutert.
Der zweite Verfahrensschritt besteht darin, eine ultramagere Kraftstoffcharge in die Schieberzelle an richtiger Stelle einzuspritzen, um eine vollständige Vermischung zu erreichen. Eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 38 lassen sich verwenden und an einem oder beiden axialen Enden der Kammer und/oder auf dem Außen- oder Innenumfang der Kammer plazieren. Jede Einspritzvorrichtung 38 läßt sich an jeder beliebigen Stelle anordnen und in jedem beliebigen Winkel, wobei die Wahl so erfolgt, daß eine gleichmäßige Verteilung innerhalb der Zelle oder des Wirbels erleichtert wird, während verhindert wird, daß Kraftstoff in den Abgasstrom gelangt. Die Einspritzvorrichtung oder Vorrichtungen 38 lassen sich in der Einlaßluftstromöffnung anordnen, obgleich es vorteilhafter ist, sie ab stromseitig dieser Strömung anzuordnen, beispielsweise wie in 1A gezeigt, um sicherzustellen, daß unverbrannter Kraftstoff nicht aus der Abgasöffnung entweicht. Gewisse Anwendungsfälle erfordern, daß die Einspritzvorrichtung 38 weiter abstromseitig plaziert wird als dargestellt, um eine solche Kraftstoffabgasleckage zu verhindern. Für den Fall, daß Kraftstoff auch für den Anwärmzyklus verwendet wird, läßt sich eine wirksame Verbesserung dadurch erzielen, daß die Einspritzvorrichtung im Kompressionszyklus weiter abstromseitig plaziert wird. Nach der Einspritzung sorgt die Turbulenz, die von den turbulenz- oder wirbelerzeugenden Vorrichtungen 40 bewirkt wird, dann eine vollständige Vermischung des Kraftstoffs und der Luft, um vor der Verbrennungsphase die gewünschte vorgemischte, ultramagere Kraftstoff-Luftkombination C herzustellen.
Die Bewegungsenergie von der Kraftstoffeinspritzung kann dazu genutzt werden, die Kraftstoff-Luft-Kombination zu mischen. Jedoch zeigen Mischungsstudien, daß eine solche Maßnahme als alleiniges Mittel zur Mischung sich als nicht adäquat erweist, ohne daß die Hilfe von Luftwirbeln oder Turbulenzen in Anspruch genommen wird, und zwar aufgrund des relativ geringen Impulses des eingespritzten Kraftstoffs, der von den gegenwärtig praktizierten Kraftstoffeinspritzgeschwindigkeiten ausgeht. Der Kraftstoff kann durch eine Motorquelle oder eine andere Wärmequelle vor der Einspritzung erwärmt werden. Eine solche Erwärmung des Kraftstoffs kann die Verdampfung erhöhen und die Mischung verbessern, insbesondere bei Kraftstoffen hoher Dichte. Bei Benutzung als Zyklus-Wiedererwärmung kann der Kraftstoff auch den thermischen Wirkungsgrad des Motors erhöhen.
Der Kraftstoff muß in die Zelle an einer geeigneten Stelle eingespritzt werden, so daß vor der Verbrennung eine adäquate Vormischung ermöglicht wird. Die Mischung ist eine zeitabhängige Funktion. Im Falle des rotierenden Wirbels muß für den Wirbel eine ausreichende Zeit vergehen, um die ausreichende Rotation für die vollständige Vermischung bei allen gegebenen Parametern zu erreichen. Die Wirbelrotationsgeschwindigkeit variiert jedoch grundsätzlich in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit durch eine Leitung bei Wirbel-/Turbulenzgeneratoren. Einfacher gesprochen, je schneller sich die Strömung durch solch eine Leitung bewegt, desto schneller ist der Wirbelspin.
Somit läßt sich der Mischungsvorgang durch eine derartige Leitung auch mit den physikalischen Gegebenheiten der Leitung anstelle der Zeit beschreiben.
Wie aus 1A ersichtlich, sollte das Verhältnis der Leitungslänge "L" zur Leitungshöhe "H" wenigstens etwa 4 und vorzugsweise größer als 6 sein, um eine intensive Durchmischung zu erreichen, wenn in einem Luftstrom in geeigneter Weise gestaltete, herkömmliche Wirbelerzeugungsvorrichtungen benutzt werden. Darüber hinaus ist die Mischleistung in diesem Motor proportional zur Schieberzellenhöhe am Einlaß, und zwar für eine bestimmte Kompressionsmenge bzw. Geschwindigkeit und Konfiguration, obgleich diese Zellenhöhe sich während der Kompression verkleinert. Die Schieberzellenhöhe am Eingang "H", wie bei den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet, bestimmt sich durch die Differenz der Schiebererstreckung zwischen seiner maximalen Erstreckung vom Rotor weg und seinem maximalen Rückzug in den Rotor hinein. Siehe beispielsweise H1 und H2 in 1A.
Die Leitungslänge für dieses Verhältnis wird dann der Umfangsabstand, der in der Schieberzelle vom Einspritzpunkt 38 zum Statorort zu Verbrennungsbeginn zurückgelegt wird, gemessen an der radialen mittleren Höhe, wenn diese sich durch die Kompression weiterbewegt. Dies ist in 1A durch die gestrichelte Linie "L" dargestellt.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Dauer der Kraftstoffeinspritzung so eingestellt werden kann, daß sie sich mit der Ausräumungsdauer überlappt, wie in 1B gezeigt, vorausgesetzt, die Einspritzvorrichtung ist ordnungsgemäß an die Luftströmungsgeschwindigkeit angepaßt und/oder so konfiguriert, daß der Kraftstoff nicht in den Abgasstrom eintreten kann, der den Motor verläßt.
Unter dem Wort Einspritzvorrichtung, das hier verwendet wird, können alle Vorrichtungen zur Einleitung von Kraftstoff in die Schieberzelle verstanden werden, einschließlich beispielsweise Drucksprüheinspritzung, mechanische Verdampfung, Ultraschallverdampfung, Vergaser, Dochtvorschub, Düsenpumpe und andere Einrichtungen, die auf dem Gebiet der Fluideinleitung und -mischung bekannt sind. Der Kraftstoffeinspritzvorgang kann kontinuierlich, gepulst, zyklisch oder intermetierend erfolgen, und zwar innerhalb geeigneter Parameter der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf jeder beliebigen Oberfläche, die einen Eintritt zur Schieberzelle bietet, lassen sich eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzeinrichtungen anordnen. Wenn mehr als eine Einspritzvorrichtung verwendet wird, so muß diejenige mit der maximalen Leitungslänge zum Statorblatt vor Verbrennungsbe ginn als Berechnungsgrundlage bezüglich Leitungslänge zu Zellenhöhe für das erfindungsgemäße Verfahren angesehen werden. Was die optimale Leistungsfähigkeit im Hinblick auf die Verschmutzung anbelangt, so sollte jedoch ein großer Teil des Kraftstoffs nicht an einer Stelle außerhalb der Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens eingespritzt werden.
Im Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens sind eine "ultramagere" Kraftstoff-Luft-Kombination und eine "vollständige Vormischung" Parameter, die zur Optimierung der Leistung des erfindungsgemäßen Verfahrens gewählt werden, und diese Parameter werden im folgenden detaillierter definiert und diskutiert.
Eine erste Betrachtung bei der Bestimmung der optimalen Kraftstoff-Luft-Einlaßkombination, die sich aus der Gemischbildung ergibt, betrifft eine Verkleinerung des Zel'dovich-Mechanismus, der hauptsächlich ein chemischer Mechanismus ist, welcher die Hauptmenge an NO_x-Emission bei den modernsten Verdrängungsmotoren erzeugt. Dieser Mechanismus erzeugt NO_x bei einer lokalen Geschwindigkeit, die expotentiell von der lokalen Temperatur des Heißgases abhängt. Hohe Geschwindigkeiten der NO_x-Bildung werden durch örtliche Gastemperaturen in Verbindung mit herkömmlicher Funkenzündung und Kolbenmotoren mit Kompressionszündung erzeugt. Bei örtlichen Gastemperaturen, die mit einem örtlichen ultramageren Kraftstoff-zu-Luft-Verhältnis verbunden sind, wird die Zel'dovich-NO_x-Bildung auf niedrige Werte gebracht.
Wenn das Gemischverhältnis von Kraftstoff zu Luft über das gesamte Volumen des Verbrennungsbereiches einheitlich ist, dann ist die Geschwindigkeit der NO_x-Bildung überall dieselbe. Im Gegensatz dazu, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Augenblick der Verbrennung nicht einheitlich ist, dann ergeben sich bei sich ändernden Temperaturen Reaktionsprodukte, und zwar bei den heißesten Anteilen von Gas, die große Mengen an NO_x erzeugen. So wird beispielsweise in einem Motor, der mit einem mageren Gesamtgemisch laufen soll, dann, wenn ein bestimmter Anteil an chemischen Reaktionsmitteln etwas mehr Kraftstoff erhält als der Durchschnitt, dieser Anteil ein lokal heißeres chemisches Produkt und damit mehr NO_x erzeugt, also ein verschmutzungsverstärkender Effekt ausgelöst, der in herkömmlichen Diesel- und Turbinenmotoren auftritt.
Wenn die Mischung nahe dem Optimum ist, dann sind die Unterschiede in den NO_x-Erzeugungsmengen im Vergleich zur durchschnittlichen Erzeugungsmenge so klein, daß eine nicht ideale Vermischung nicht merkbar zu der gesamten NO_x-Bildung beiträgt. Wenn jedoch die Mischung relativ gering ist, dann werden die heißesten Anteile sehr viel wärmer als der Durchschnitt, wodurch eine größere NO_x-Menge erzeugt wird als durchschnittlich, und die unzureichende Vermischung hat einen größeren Anteil an der gesamten NO_x-Erzeugung. Es ist daher notwendig, ein angemessenes Niveau der Vormischung zu erreichen, bevor die Verbrennung stattfindet, um die Erzeugung von zusätzlichem NO_x selbst bei ultramageren Verhältnissen von Kraftstoff zu Luft zu vermeiden.
Eine quantitative Messung der Wirkung der nicht einheitlichen Mischung auf die Entstehungsmenge von NO_x läßt sich durch die Definition eines "dimensionslosen Konzentrations-Fluktuations"-Anteils (im folgenden DCF-Fraktion) abschätzen. Der Zähler ist die Quadratwurzel der Amplitude der Fluktuationen vom durchschnittlichen lokalen Mischungsverhältnis (Standardabweichung), und der Nenner ist der absolute Wert der Differenz zwischen dem durchschnittlichen Mischungsverhältnis und dem stoichiometrischen Mischungsverhältnis. Um bei dieser Berechnung die richtige Konsistenz sicherzustellen, sollten diese DCF-Gleichungs-Gemisch-Begriffe, die hier bei den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens Verwendung finden, das Äquivalenzverhältnis oder im Falle von signifikant verdünnten Gasen anstelle von gegenwärtiger Frischluft das Verdünnungsverhältnis verwenden. Beide Verhältnisse, nämlich das Äquivalenzverhältnis und das Verdünnungsverhältnis, die hier benutzt werden, werden in einem späteren Abschnitt der Beschreibung definiert und diskutiert.
Wenn die Mischung in einem mageren Verbrennungsmotor tatsächlich im Gleichgewicht steht, ist der Anteil Null, da in dem lokalen Mischungsverhältnis keine Fluktuationen auftreten. Das Zel'-dovich-NO_x wird dann durch das durchschnittliche Mischungsverhältnis bestimmt. Wenn andererseits die Mischung schlecht ist, wird diese Fraktion viel größer. Dann können gewisse Gasanteile sogar die maximale durchschnittliche Temperatur erreichen, nämlich die adiabatische Flammentemperatur, mit der Folge der Erzeugung von NO_x in einer sehr viel größeren Menge als bei der Durchschnittsmischung.
Damit die Mischungsqualität ausreicht, um NO_x bei ultramageren Kraftstoff-Luft-Verhältnissen zu reduzieren, ist es erforderlich, einen Wert für diese Fraktion von weniger als etwa 0,25 für ein Äquivalenz- oder Verdünnungsverhältnis von weniger als etwa 0,65 zu erhalten. Bei geringeren Äquivalenz- oder Verdünnungsver hältnissen kann eine höhere DCF-Fraktion ohne vergleichsweise steigende NO_x-Emissionen toleriert werden, da die durchschnittliche Gasspitzentemperatur niedriger ist. So sollte man beispielsweise bei einem Äquivalenz- oder Verdünnungsverhältnis von weniger als 0,60 einen Wert für diese Fraktion erhalten, der kleiner ist als 0,33. Was die NO_x-Emissionen anbelangt, so ist das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren auf diejenigen Bereiche des Motorbetriebs gerichtet, in denen geringe NO_x-Wege am härtesten zu erreichen sind, nämlich bei höheren Leistungseinstellungen für eine gegebene Motorverwendung. Es versteht sich, daß ein gegebener Motor während eines Abschnitts seines Betriebs aus den gegebenen Parametern des erfindungsgemäßen Verfahrens herausfallen kann und dennoch niedrige Verschmutzungsemissionen erreicht. So kann beispielsweise bei extrem mageren Gemischen und somit niedrigen Leistungsabgaben nur ein kleiner Mischungsgrad und damit eine relativ hohe DCF-Fraktion toleriert werden und dennoch niedrige NO_x-Emissionen erzielt werden.
Bei Motoren, die mit mageren als stoichiometrischen Gemischen laufen, führt eine niedrige DCF-Fraktion zu abgesenkten NO_x-Emissionen, und zwar selbst bei kleinen DCF-Fraktionen (obgleich mit sich verringernden Wirkungen). Um die NO_x-Emissionen auf ein Mindestmaß zu beschränken, hat sich als zufriedenstellende Regel erwiesen, die DCF-Fraktion auf einen Wert unter 0,10 und vorzugsweise weniger als 0,05 zu begrenzen. Dann ist der zusätzliche Beitrag zur NO_x-Bildung aufgrund der nicht perfekten Mischung relativ klein, und dies soll der Mischungsschritt zu erreichen versuchen.
Die DCF-Fraktion der Mischungsstufe läßt sich für den Fachmann, der auf dem Gebiet der Kraftstoff-Luft-Vermischung arbeitet, durch bekannte Schritte senken, so beispielsweise durch Vergrößerung der Wendegeschwindigkeit der Mischungswirbel durch Einstellen der Gestalt (beispielsweise der Neigung), der Anzahl, der Lage oder Ausrichtung der turbulenz- oder wirbelerzeugenden Einrichtungen 40. Wie hier erläutert, muß zwischen der Einspritzung und dem Beginn der Verbrennung eine ausreichende Zeit vorgesehen werden, so daß die vollständige Vormischung stattfinden kann. Was weitere Diskussionen der Mischungsleistung und -ziele anbelangt, so wird auf folgende Veröffentlichungen verwiesen:

Aarnio, M. J.: "Mixing by turbulent streamwise vortices confined in a duct", Ph. D. Thesis, University of Washington, 1994;
Breidenthal, R. E., Tong, K.-O., Wong, G. S., Hamerquist, R. D., und Landry, P. B.: "Turbulent mixing in two-dimensional ducts with transverse jets", AIAA Journal, Bnd. 24, 1986, S. 1867 – 1869;
Broadwell, J. E. und Breidenthal, R. E.: "Structure and mixing of a transverse jet in incompressible flow", Journal of Fluid Mechanics, Bnd. 148, 1984, S. 405 – 412;
Edwards, A. C., Sherman, W. D., und Breidenthal, R. E.: "Turbulent mixing in tubes with transverse injection", AIChE Journal, Bnd. 31, 1984, S. 516–8; und europäische Patentanmeldung 91 122 141.4, angemeldet am 23.12.1991 für "Vortex Generators For Double Cone Burner".

Die Konzentrationsfluktuationen vom Durchschnitt in diesem Motor lassen sich unter Verwendung üblicher Labortechniken messen, um eine genaue Bestimmung der DCF-Fraktion beim tatsächlichen Betrieb zu erreichen. So kann beispielsweise die Konzentration der chemischen Stoffe wie Kraftstoff oder vorgegebener Kraftstoff optisch von Raman oder Rayleigh durch Ausblendung mittels eines Lasers gemessen werden.
Eine ältere Technik sieht vor, daß Gasproben durch eine Brown-Rebollo-Ansaugeinrichtung gesaugt werden, die am California Institute of Technology entwickelt wurde und extensiv zur Messung der Mischung in der Scherschicht und im Nachlauf benutzt wird. Im einzelnen heißt das, daß die Ansaugsonde, die in einer Öffnung oder einem Öffnungskanal im stationären Gehäuse an einer oder mehreren Stellen angeordnet ist, Proben aus vorbeiströmenden Gas entnimmt, die langsam durch die Öffnung abgesaugt werden. Die Sonde ist mit einer Vakuumleitung verbunden, und Gas wird an der Spitze der Sonde durch einen konischen Trichter gesaugt, so daß es an einem heißen Draht abstromseitig des Trichters vorbeiströmt, der mit konstanter Temperatur betrieben wird. Die Sonde ist grundsätzlich ein Heliumschnüffler. Aufgrund der höheren Temperaturleitzahl von Helium, das vorzugsweise den heißen Draht kühlt, mißt die Sonde genau die Konzentration des Heliumstroms, solange die Machzahl der auftreffenden Strömung kleiner als Eins ist. Entweder wird der Kraftstoffstrom oder der sauerstoffhaltiger Strom mit einem Gas enthaltenden Helium simuliert. Der andere Strom ist typischerweise Luft oder Stickstoff, und zwar ohne jegliches Helium.
Die Simulation des Kraftstoffstroms mit einem Gasstrom führt bei dieser Art von Messung zu drei erheblichen Ungenauigkeiten, die berücksichtigt werden müssen. Die eine Ungenauigkeit besteht darin, daß das tatsächliche Dichteverhältnis von Kraftstoffstrom und sauerstoffhaltigem Strom sich ändern kann, wodurch sich die Mischgeschwindigkeit ändern kann. Viele vorhergehenden Experimente haben jedoch gezeigt, daß das Dichteverhältnis eine sehr geringe Wirkung auf das Einziehen und Vermischen hat, solange Auftriebswirkungen vernachlässigbar sind. Nichtsdestotrotz könnten Dichteeffekte durch Veränderung der Dichte des heliumhaltigen Stroms, beispielsweise durch Zusatz von Argongas zum Heliumstrom, um dadurch die Dichte zu erhöhen, festgestellt werden. Auf diese Weise lassen sich jegliche Wirkungen des Dichteverhältnisses auf das Mischen bestimmen.
Der zweite wesentliche Nachteil bei dieser Meßtechnik betrifft den Zwei-Phasen-Strom, wenn der tatsächliche Motorkraftstoff flüssig ist (im Gegensatz zu dem bei dieser Technik verwendeten Heliumgas). Aufgrund ihrer Trägheit folgende flüssige Kraftstofftropfen nicht ganz dem sie umgebenden Gasstrom. Die Stockes-Zahl ist ein Maß für die Verzögerung zwischen der Gas- und Tropfenbewegung. Solange die Tropfen klein genug sind, so daß ihre Beschleunigungszeit im Vergleich zur Rotationsperiode der Mischwirbel klein ist, folgen die Tropfen dem Gasstrom. Somit würde eine Simulation, bei der Heliumgas anstelle der Kraftstofftropfen Verwendung findet, für die kleinen Kraftstofftropfen ausreichend genau sein.
Die Genauigkeit der Brown-Rebollo-Sonde beträgt wenige Prozent, die temporäre Bandbreite beträgt wenige Kilohertz, und das Probenvolumen ist annähernd ein Kubikmillimeter. Die Probe beantwortet Druck- und Temperaturänderungen, nicht jedoch die Konzentrationsschwankungen, so daß das Konzentrationssignal durch diese thermodynamischen veränderlichen Größen verfälscht sein könnte, wenn jede Schieberzelle an der Sondenstation vorbei läuft. Dieser dritte wesentliche Nachteil kann glücklicherweise ausgeschlossen werden. Bei geeigneter Signalverarbeitung, so beispielsweise mit einem höheren Passfilter oder mittels einer Rechnervorrichtung läßt die niedrige Frequenz der Schieberpassage ausfiltern, wobei das gewünschte Hochfrequenzsignal der Konzentrationsschwankungen erhalten bleibt.
Da die durchschnittlichen Spitzenverbrennungstemperaturen extrem niedrig sind, nämlich um oder unter etwa 2250 °K liegen, und zwar als Folge des ultramageren Gemisches, bleiben die NO_x-Emissionen in diesem mit vollständiger Vormischung arbeitenden Motor aufgrund des streng exponentialen Einflusses der Temperatur auf die Zell'dovich-NO_x-Bildungsgeschwindigkeit gering.
Ein Äquivalenzverhältnis (E) wird zur Quantifizierung des Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnisses in dem Gemisch (AFR_m) im Vergleich zu dem stoichiometrischen Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnis (AFR_stm) E = AFRstm/AFRm verwendet.
Die Luft in der obigen Gleichung sollte anstelle von Frischluft bei Umgebungsbedingungen genommen werden. Ein Äquivalenzverhältnis von 1,0 bringt die Menge an Kraftstoff, die idealerweise den ganzen Sauerstoff verbraucht, der bei dem Verbrennungsprozeß zur Verfügung steht und würde somit das maximale produktive Kraftstoff-zu-Luft-Verhältnis sein. Im Gegensatz dazu würde ein Äquivalenzverhältnis von 0,5 bedeuten, daß der Kraftstoff idealerweise mit nur 50 % des in der Frischluft zur Verfügung stehenden Sauerstoffs reagiert, so daß der verbleibende Sauerstoff und die verbleibenden anderen Gase in der Frischluft als Verdünnungsmittel und potentielle Sauerstoffträger dienen.
Das ultramagere Kraftstoff-Luft-Gemisch der beschriebenen Erfindung ergibt ein Äquivalenzverhältnis von weniger als etwa 0,65 im Vergleich zu der vorgemischten Kraftstoff-Luft-Menge von Verdrängungsmotoren, die normalerweise bei Äquivalenzverhältnissen zwischen etwa 0,8 und etwa 1,1 arbeiten. Gegenwärtig werden die meisten Automobilmotoren extrem nahe an einem Äquivalenzverhältnis von 1,0 betrieben.
Kombiniert mit anderen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens führt das ultramagere Gemisch zu einer chemischen Umgebung, in der NO_x-Emissionen extrem gering bleiben und in der CO und HC fast vollständig am Verbrennungsort oxidiert werden können.
Für den Fall, daß die Bestandteile, die während der Vormischstufe vor der Verbrennung vermischt werden, auch erhebliche Abgase oder andere Gase als Frischluft enthalten, die nicht in dem verbrennbaren Kraftstoff eingeschlossen sind, dann liegt es an dem Verdünnungsverhältnis (DR) und nicht an dem Äquivalenzverhältnis, das den Verdünnungsgrad in dem Gemisch beschreibt. Das Verdünnungsverhältnis DR wird wie folgt ausgedrückt: DR = AFRstm/GFRm wobei GFR_m das gesamte nichtbrennbare Gas (G) zu dem gesamten Kraftstoff (F) des Gemisches bedeutet. Wie oben erwähnt, ist das stoichiometrische Luft-zu-Kraftstoffverhältnis AFR_stm. Verbrennbare Gase wie beispielsweise Wasserstoff oder Methan werden als Teil des Kraftstoffanteils (F), nicht aber des Gasanteils (G) des Gemisches betrachtet.
Oxidierende Gase, beispielsweise Sauerstoff werden als Teil des Gases (G) des Gemisches betrachtet, nicht jedoch der Kraftstoffanteil (F) des Gemisches.
In diesem Fall, in dem andere Verdünnungsmittel als Frischluft enthalten sind, sollte das Verdünnungsverhältnis weniger als etwa 0,65 und vorzugsweise weniger als etwa 0,55 sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das Äquivalenzverhältnis in diesem Fall (d. h. Kraftstoff-zu-Frischluft-Äquivalenz-Verhältnis) weniger als 1,0 und vorzugsweise weniger als 0,90 sein sollte, um sicherzustellen, daß ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht, um eine nahezu vollständige Verbrennung des Kraftstoffs zu ermöglichen.
In dem Fall, in dem andere Verdünnungsmittel als Frischluft benutzt werden, gilt als Ziel, dieselben niedrigen Verbrennungstemperaturspitzen durch ein hochverdünntes Kraftstoff-Gas-Gemisch zu erhalten, während ein mageres Kraftstoff-zu-Frischluft-Äquivalenzverhältnis benutzt wird, um gleichzeitig die Emissionen von NO_x, CO und HC in dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren auf ein Mindestmaß zu beschränken.
Die Gemisch-Verhältnisparameter des erfindungsgemäßen Verfahrens sind so zu wählen, daß ein Hauptstrombereich an Betriebsparametern einschließlich Umgebungsbedingungen, Motordrehzahlen, Kompressions- und Expansionsverhältnissen und Kraftstofftypen zur Anwendung gelangt. Die Spitzengastemperaturen bei variierenden Äquivalenz- oder Verdünnungsverhältnissen können somit für Motoren, die bei diesen normalen Bedingungen arbeiten, angepaßt werden. Ein Gleitschiebermotor kann jedoch in einem Modus betrieben werden, der die Gasspitzentemperaturen erheblich senkt, und zwar entweder durch Verwendung von Mitteln, die die Gase während des Ansaug-Kompressions-, und/oder Verbrennungszyklus aktiv kühlen oder durch Betrieb unter sehr niedrigen Umgebungstemperaturbedingungen, so beispielsweise bei extrem kalten Klimata oder in großen Höhen operie renden Flugzeugen. In solchen Fällen werden die Äquivalenz- oder Verdünnungsverhältnisparameter des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Betrieb von beispielsweise eines Motors so angewendet, als ob der Motor mit denselben Spitzengastemperaturen, jedoch mit einem mageren Gemisch und unter Normalbedingungen arbeitet (d. h. ohne aktive Innenkühlung und bei Standardumgebungstemperaturbedingungen). So sollte beispielsweise ein 0,70-Äquivalenzverhältnis für einen Motor, der bei ausreichenden Innenkühlungsspitzengastemperaturen arbeitet, im Sinne der Erfindung äquivalent zu denselben erzeugten (oder vorgeschriebenen) Spitzengastemperaturen für ein 0,63-Äquivalenzverhältnis bei demselben Motor, jedoch bei üblichen Arbeitsbedingungen ohne Innenkühlung sein. Mit anderen Worten, das Mischungsverhältnis dieses Motors, der unter ungewöhnlichen Kühlungsbedingungen bei einem 0,70-Äquivalenzverhältnis arbeitet, ist äquivalent im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem 0,63-Äquivalenzverhältnis für die Zwecke der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte. Im Falle von vorhandenen wesentlich verdünnten Gasen, beispielsweise anderen Gasen als Frischluft, würde auf das Verdünnungsverhältnis dieselbe Magergemischübertragung zur Anwendung gelangen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die obige Diskussion, betreffend die Übertragung des Äquivalenzverhältnisses, nur auf ungewöhnliche Bedingungen zutrifft, die zu kälteren Spitzengastemperaturen führen, als sie normalerweise erwartet werden.
Es wird ferner darauf hingewiesen, daß das Äquivalenzverhältnis, auf das bei den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens Bezug genommen wird, sich auf das Durchschnittsäquivalenzverhältnis in der Schieberzelle bezieht. Vor dem Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, betreffend die vollständige Durchmischung weisen bestimmte Teile der Kraft-Luft-Kombination unterschiedliche Äquivalenzverhältnisse als andere Teile auf. Die gesamte Kraftstoffmenge und gesamte Luftmenge führen zu dem durchschnittlichen Äquivalenzverhältnis. Die Mischungsverhältnisbezugnahmen sollten in derselben Weise betrachtet werden. Die DCF-Fraktions-Berechnung verwendet jedoch sowohl lokale als auch durchschnittliche Verhältnisse, wie oben ausgeführt.
Die Kompressions- und Verbrennungsschritte werden im folgenden beschrieben, und zwar unter Verwendung der bisher verwendeten Begriffe. Die Kraftstoff-Luft-Kombination C wird auf etwa den Spitzenkompressionswert verdichtet. Es versteht sich, daß dieser Kompressionspegel am oder in der Nähe des Spitzenkompressi onspegels liegen kann und zur Vereinfachung der Diskussion hier allgemein "Spitzennahe-Kompression" genannt wird. Während dieses Kompressionsprozesses setzt die Kraftstoff-Luft-Kombination C die Vermischung zu einer geeigneten niedrigen DCF-Fraktion fort. Diese Fortsetzung der Vermischung erfolgt als Ergebnis der Luftturbulenz oder Luftwirbel, die in der Schieberzelle erzeugt werden. Eine oder mehrere Wirbel können mit Hilfe der Wirbelgeneratoren 40 in der Einlaßleitung oder mit Hilfe anderer Einrichtungen für eine solche Vermischung, wie sie im US-Patent 5 524 587 beschrieben sind, erzeugt werden. Darüber hinaus lassen sich andere Einrichtungen zur Erreichung einer vollständigen Vermischung anwenden, vorausgesetzt, die Kraftstoff-Luft-Kombination C erreicht eine geeignet niedrige DCF-Fraktion, bevor die Verbrennung beginnt, wie bei den Schritten des erfindungsgemäßen Verfahren im einzelnen dargelegt.
Obgleich ein herkömmlicher Funken unter gewissen Umständen (beispielsweise Startphase) oder Anwendungsfällen benutzt werden kann, um den Verbrennungsvorgang einzuleiten, wird erwartet, daß andere oder zusätzliche Mittel, die hier erläutert werden, Anwendung finden, um für die meisten Anwendungsfälle des erfindungsgemäßen Verfahrens eine vollständige Verbrennung zu erreichen.
Ultramagere Verbrennungseinleitungsvorrichtungen (UCD's) weisen Elemente oder Merkmale des Typs auf, die zu einer richtig getimten Heißgas-Injektion in eine sich nähernde Schieberzelle führen, so daß eine vollständige Verbrennung eines ultramageren Kraftstoff-Luft-Gemisches sichergestellt ist. Wie im unteren im einzelnen dargelegt, weisen Beispiele für derartige Vorrichtungen die Verbrennungsortkammer, Heißgasleitung und Rückziehwegkammer auf. Andere Vorrichtungen oder Merkmale oder ihre Kombinationen können ebenfalls diese Aufgabe der ultramageren Verbrennungseinleitung erfüllen, beispielsweise ein dazu adiabatisch Temperaturteil der Statorkammeroberfläche in der Nähe des Verbrennungsortes. Wichtig ist, daß ein Bereich des Gleitschiebermotors ständig dem Verbrennungsvorgang ausgesetzt ist. Diese Geometrie ermöglicht vielen Einrichtungen, die ultramagere Verbrennung einzuleiten, die für die vergleichsweise nicht kontinuierliche Verbrennung nicht brauchbar sind, welche in herkömmlichen Kolben- und Wankelmotoren stattfindet.
Die Verbrennungsortkammer 50 (seihe 1 und 4) ist ein Hohlraum oder besteht aus einer Reihe von Hohlräumen innerhalb eines Stators, die radial und/oder axial von der Schieberzelle entfernt angeordnet sind und mit der Kraftstoff-Luft- Beschickung bei etwa Spitzenkompressionen und -verbrennungen in Verbindung stehen. Dieser Hohlraum kann ein variables Volumen aufweisen.
Die tatsächlich verlängerte nahezu Spitzenkompressionsdauer der Verbrennungsortkammer läßt sich durch einen Vergleich des volumetrischen Kompressionsverhältnisprofils eines herkömmlichen Kolbenmotors mit dem Kompressionsverhältnisprofils einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie in 5 gezeigt, verdeutlichen. 5 ist ein Graph, der das volumetrische Kompressionsverhältnis auf einer logarithmischen Skala als Funktion des Kurbelwellen- oder Rotordrehwinkels darstellt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zu einer effektiv längeren Verweilzeit nahe des Spitzenkompressionsbereiches führen, der durch die Dauer bei einer Spitzenkompression von 45' gekennzeichnet ist und für einen Schieberrotorwinkel von etwa 40 ° bei der gezeigten Ausführungsform erhalten wird. Diese Dauer kann auch als "Glättungs"-Wirkung bezeichnet werden, die auf die Spitzenkompressionskurve durch das zusätzliche Volumen der Verbrennungsortkammer zurückzuführen ist. Die speziellen Parameter einer solchen verlängerten Zeitdauer bei der spitzennahen Kompression (d. h. das Kompressionsverhältnis, der Schieberrotorwinkel, die Anzahl der Schieber) können innerhalb der Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens erheblich variieren. Was wichtig ist, ist die Tatsache, daß eine ausreichende Erstreckung der Verlängerung des Spitzenkompressionsbereiches erzielt wird, so daß eine adäquate Zeit zur Verfügung steht, um eine vollständige Verbrennung innerhalb der Verbrennungszone für einen geeigneten Bereich an Betriebsgeschwindigkeiten und -bedingungen sicherzustellen, und zwar bei einer ausreichenden Verweilzeit in diesem Hochkompressionsbereich, so daß die CO- und HC-Verschmutzungsstoffe fast vollständig oxidieren können.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Form und die Fortschritte des Zyklus, wie in 5 dargestellt, wichtiger sind als die tatsächliche zeitliche Dauer und Winkellage des Spitzenkompressionsplateaus. Die nahezu Spitzenkompressionsdauer 45 des herkömmlichen Kolbenprofils von 5 (strichpunktierte Linie) entspricht etwa 5 % der Kompressionszyklusdauer. Im Gegensatz dazu entspricht die nahe Spitzenkompressionsdauer 45' einer Ausführungsform der Erfindung, wie in 5 gezeigt (durchgezogene Linie) annähernd 20 % der Kompressionszyklusdauer. Dieser wesentlich größere Anteil macht es möglich, das optimale Kompressionsverhältnis bei einer gegebenen Motordrehzahl zu verwenden, so daß die nahezu vollständige Verbrennung eines ultramageren Kraftstoff-Luft-Gemisches bei sich än dernden Motordrehzahlen und Bedingungen ohne Frühzündung erreicht werden kann. Ein solches Ergebnis läßt sich bei herkömmlichen Kolbenmotoren nicht wirkungsvoll auf praktikable Weise erzielen.
Die Abflachung der nahezu spitzen Kompressionskurve wird vergrößert, wenn das Verhältnis von Verbrennungsraum, Volumen zu Zellenvolumen (gemessen an einer Schieberzelle unmittelbar vor dem Eintritt in die Verbrennungshofkammer) sich vergrößert.
Die nahezu Spitzenkompressionsdauer braucht nicht vollständig flach zu sein, sondern kann auch etwas abgeschrägt und/oder gekrümmt sein. Wichtig ist jedoch, daß ihre Form und Dauer nahezu eine vollständige Oxidation von CO- und HC-Verschmutzungsstoffen sicherstellt, ohne die NO_x-Emissionen als Konsequenz der angestiegenen Spitzenverbrennungstemperaturen für einen Bereich von Betriebsdrehzahlen und -bedingungen, der für einen gegebenen Anwendungsfall geeignet ist, zu erhöhen.
Die Verbrennung wird eingeleitet und erleichtert durch die Heißgasinjektion, die die Verbindung der Verbrennungsortkammer mit einer Schieberzelle begleitet. Die Verbrennung bei diesem Motor kann durch Selbstzündung stattfinden, und zwar aufgrund des starken Temperatur- und Druckanstiegs, der in der Schieberzelle auftritt, sobald die Schieberzelle mit der Verbrennungsortkammer in Verbindung tritt. Wenn die Temperatur und der Druck örtlicher Brennstoff-Luft-Chargen hoch genug sind, reagieren die Chargen spontan, d. h. sie verbrennen. Der Flammenfortschritt ist ein anderer Mechanismus, der im Verbrennungsprozeß teilnehmen kann. Eine Flammenfront breitet sich von einem Zündpunkt aus, verbrennt die Kraftstoff Luft-Charge in der Schieberzelle auf ihrem Weg, wenn die Flammenfront durch die Zelle fortschreitet. Der Selbstzündungsprozeß wird bei Dieselmotoren verwendet und durch die Kraftstoffeinspritzung und das Kompressionsverhältnis zeitlich gesteuert, während der Flammenfortschritt auf Kolbenmotoren mit Punktzündung beruht. Bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird angenommen, daß die Selbstzündung bis zur extrem mageren Kraftstoff-Luft-Verhältnissen herunter verwendet werden kann, die es dem Motor ermöglicht, allein durch das Kraftstoff-Luft-Verhältnis "gedrosselt" zu werden. Der Begriff "Selbstzündung", wie er hier verwendet wird, bedeutet nicht, daß die Verbrennung automatisch ohne externe Abstimmung erfolgt, beispielsweise durch eine UCD, sondern bedeutet eher, daß die erhöhten Temperaturen und Drücke ausreichen, um die Verbrennung sicherzustellen, ohne daß auf eine Zündfunkenvorrichtung (beispielsweise eine Zündspule) zurückgegriffen werden muß, um eine Flammenfront entstehen zu lassen.
Insbesondere bezieht sich der Begriff "Selbstzündung", wie er hier benutzt wird, auf die schnelle Verbrennungsreaktion, die spontan als Ergebnis der Temperatur, des Druckes, der Verweilzeit und der Kraftstoffart eintritt. Ein Mittel zur Erreichung dieser Selbstzündung besteht darin, das Kraftstoff-Luft-Gemisch so lange zu komprimieren, bis es grundsätzlich explodiert. Andere Mittel führen ebenfalls zu einer Selbstzündung, so beispielsweise die Injektion eines ausreichend heißen Gases. Das wichtige Element eines Selbstzündungsvorgangs besteht darin, daß ein ultramageres Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer niedrigen DCF-Fraktion verbrannt werden kann, ohne daß notwendigerweise eine Flammenfront von einer Punkt-Zündquelle als Hauptmittel für die Vervollständigung des Verbrennungsprozesses erforderlich ist. Die wesentliche Ursache für die Schwierigkeit, eine derartige fortschreitende Flamme durch ein ultramageres Gemisch zu erreichen, beruht auf den Damköhler-Zahlen-Wirkungen. Das hohe Maß der Mischgeschwindigkeit innerhalb dieses Motors macht einen solchen Flammenfortschritt (nicht jedoch die Selbstzündung) bei extrem mageren Gemischen schwieriger. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahren werden in Verbindung mit dem Flammenfortschritt und/oder der Selbstzündung als Mittel zur Aufrechterhaltung der Verbrennung vorgeschlagen, und die Anforderungen eines speziellen Anwendungsfalls bestimmen die beste Verbrennungskonfiguration. Im einzelnen heißt das, daß, je kleiner das minimale Äquivalenzverhältnis, das für einen gegebenen Anwendungsfall erforderlich ist, ist, desto mehr muß man sich auf die Selbstzündung als Mittel, eine Verbrennung zu erhalten, verlassen.
In gewissen Fällen kann der Unterschied zwischen Selbstzündung und Flammenfortschritt unklar erscheinen. Ganz generell stellen die Temperatur, der Druck, die Verweilzeit und die Kraftstoffart für eine Selbstzündungsumgebung weitgehend sicher, daß die Verbrennung durch die gesamte Zelle stattfindet. Im Gegensatz dazu, erfordert der Flammenfortschritt, daß die benachbarten kalten Gase sich nicht so schnell mit der Flammenfront vermischen, so daß diese erlischt, oder daß die Flammenfront genug Wärme liefert, um sich durch die kälteren Gase hindurch zu bewegen. Die Unterscheidung zwischen Flammenausbreitung und Selbstzündung wird um so auffallender, je magerer die Gemische sind. Was eine Diskussion der Damköhler-Anzahl-Wirkungen auf die Flammenausbreitung anbelangt, so wird auf die Druckschrift "Blowout of Turbulent Diffusion Flames", J. E. Browdwell, W. J. A. Dahm und M. G. Mungel, 20. Symposium (International) zur Verbrennung/ The Combustion Institute, 1984, S. 303 – 310, verwiesen. Was eine empirische Analyse der Selbstzündungsverzögerungszeiten anbelangt, so wird auf "Four-Octane-Number Method for Predicting the Anti-Knock Behaviour of Fuels and Engines", Dounaud, A. M., und Eyzat, P., SAE Dokument 780080, SAE Trans., Bnd. 87, 1978, verwiesen.
Wenn das zeitliche Erfordernis der vollständigen Vormischung für einen herkömmlichen Dieselmotor zusätzlich auftritt, so wird dadurch der Selbstzündungsprozeß bei bestimmter zeitlicher Abstimmung über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen unzuverlässig und daher nicht praktikabel. Die Flammenausbreitung allein läßt keine ultramagere Kraftstoff-Luft-Charge zu, um eine vollständige und verläßliche Verbrennung in einem herkömmlichen Kolbenmotor oder Wankelmotor mit Funkenzündung zu erreichen. Somit schafft das erfindungsgemäße Verfahren einen neuen Zyklus für Verdrängungsmotorbetriebe bei Verwendung eines Hauptstrom, d. h. die Verbrennung einer ultramageren Kraftstoff-Luft-Charge, die in den Schiebermotor vor der Verbrennung injiziert und dort vollständig vorgemischt wird. Dieser neue Zyklus bringt die Vorteile einer geringeren Verschmutzung durch austretendes NO_x, HC und CO mit sich.
Der auf diesem Gebiet tätige Durchschnittsfachmann wird erkennen, daß die Verbrennungsortkammer 50 vielfältige geometrische Formen annehmen kann, die innerhalb der praktischen Anwendung dieser Erfindung liegen. Andererseits läßt die Ableitung heißen Verbrennungsgases aus der vorderen Schieberzelle zur hinteren Schieberzelle eine ähnliche Verbrennungserleichterung zu, wie sie die Öffnung des hinteren Schiebervolumens für die Verbrennungstemperaturen und -drücke ergibt. Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß durch den Stator ein Kanal 65 oder eine Aussparung oder ein relatives Zurückziehen des Kammerpfades in Bezug auf die Schieber, wie bei 66 gezeigt, vorgesehen wird, wobei beides in den 6A bzw. 6B dargestellt ist. In jedem Fall wird für die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Verbrennungsortkammer durch diese Leitung wirksam erzeugt, die ein Volumen hat, das gleich demjenigen der vorderen Schieberzelle 67 an der Verbindungsstelle mit der Leitung ist. In gleicher Weise wird die Leitungslänge "L", die hier Verwendung findet, in einem solchen Fall ebenfalls vom Punkt der Kraftstoffeinspritzung bis zum Punkt der Verbindung mit der effektiven Ausblasleitung gemessen, die das heiße Gas in die vorbeikom mende Schieberzelle einbläst. Obgleich eine derartige Heißgasleitung 65 oder 66 eine ultramagere Verbrennung wie die Verbrennungsortkammer 50 bewirken kann, hat die Verbrennungsortkammer 50 den zusätzlichen Vorteil, daß sie die spitzennahe Kompressionsdauer weiter verlängert und/oder ein noch größeres Volumen dem Injektionsvorgang zuführt, und zwar für Anwendungsfälle, die einen besonders weiten Bereich von Betriebsdrehzahlen und/oder Krafteinstellungen überdecken.
Die UCD braucht nicht zwischen den Kompressions- und Expansionszyklen mittig angeordnet zu sein, sondern kann zu der einen Seite versetzt liegen, um die Verbrennung oder den Wirkungsgrad des Zyklus besser zu optimieren.
Computersimulationen zeigen, daß das Verbrennungsortkammervolumen wenigstens bei 10 % und vorzugsweise mehr als 50 % des Zellvolumens am Eintritt in die Verbrennungsortkammer betragen soll, um für die meisten Anwendungsfälle mit dem hier beschriebenen Verfahren eine gute Verbrennung und gute Emissionswerte zu erzielen. Wenn das Verbrennungsortkammervolumen zu groß wird, dann beginnen die NO_x-Emissionen anzusteigen, und zwar aufgrund der erhöhten Verweilzeit der großen Menge an verbrannten Gasen in der Verbrennungsortkammer. Je magerer das Äquivalenzverhältnis und je breiter der Betriebsdrehzahlbereich und die Betriebsbedingungen für einen gegebenen Anwendungsfall sind, desto größer muß das Verbrennungsortkammervolumen sein (als Prozentsatz des Schieberzellenvolumens am Eintritt), um eine zuverlässige Verbrennung aufrechtzuerhalten. Somit kann also in einem Kraftfahrzeuganwendungsfall, wo eine "Drosselung" auf sehr arme Äquivalenzverhältnisse bei niedriger Leistung benötigt wird, ein sehr viel größeres Verbrennungsortkammervolumen erforderlich sein als für einen energieerzeugenden Motor, der ständig mit einer Drehzahl und mit Vollgas läuft.
Aus diesem Grund kann für eine Verbrennungsortkammer mit variablem Volumen beispielsweise ein Tauchkolben gewählt werden, der das Kammervolumen bei höheren Äquivalenzverhältnissen, niedrigeren Drehzahlen und/oder anderen Betriebsbedingungen verkleinert.
Das Kompressionsverhältnis wird so gewählt, daß Selbstzündung im wesentlichen vor dem Spitzenkompressionsbereich unter Betriebsbedingungen vermieden wird. Durch die Wahl höherer Kompressionsverhältnisse können CO- und HC- Emissionen weiter verringert werden, jedoch die NO_x-Emissionen bei einem gegebenen Äquivalenzverhältnis ansteigen. Die hohen Durchschnittskammerdrücke, die durch das hohe Kompressionsverhältnis erzeugt werden, können die Lebensdauer der Rotorwellenlager verringert. Somit muß also der Konstrukteur das Kompressionsverhältnis im Hinblick auf die Anforderungen eines gegebenen Anwendungsfalls innerhalb der Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens optimieren. Der Motorkonstrukteur kann mit diesem Optimierungsprozeß dadurch beginnen, daß er die für die gegenwärtigen Automotoren mit Funkenzündung typischen Kompressionsverhältnisse berücksichtigt.
Wie im obigen erwähnt, sollte für die Verbrennungsortkammer ein ausreichendes Volumen zur Verfügung stehen, wenn sie dazu dienen soll, eine Verbrennung zu ermöglichen, die für eine praktikablen Bereich von Betriebsgeschwindigkeiten und -bedingungen geeignet ist, wobei eine ausreichende Verweilzeit in dem Hochkompressionsbereich für die CO- und HC-Verschmutzungsstoffe erforderlich ist, um diese fast vollständig zu verbrennen.
Da eine solche Verbrennungsortkammer oder UCD in herkömmlichen Verdrängungsmotoren nicht praktikabel ist, können diese Motoren für vorgemischte ultramagere Kraftstoff-Luft-Gemische innerhalb eines weiten Bereiches von Betriebsgeschwindigkeiten, Temperaturen, Höhen usw. nicht zuverlässig verbrennen, noch können sie gleichzeitig ermöglichen, daß CO und HC während der Expansion fast vollständig verbrannt werden. Die große Menge vorhandenen Öls, das für den Kolben- und Wankelmotorbetrieb erforderlich ist, verstärkt darüber hinaus die CO- und HC-Emissionsprobleme. Aufgrund dieser hohen Beschränkungen können für Verdrängermotoren nicht gleichzeitig niedrige NO_x-, CO- und HC-Emissionen erreicht werden.
Weitere synergetische Vorteile, die auf diese Möglichkeit der Verwendung ultramagerer Gemische bei Gleitschiebermotoren zurückzuführen sind, enthalten die Tatsache, daß solche mageren Gemische in Kombination mit der hohen Mischgeschwindigkeit die Wahrscheinlichkeit dafür, daß von einer heißen Oberfläche eine Frühzündung verursacht wird, die den Verbrennungsvorgang im gesamten Gemisch auslöst, aufgrund der oben erwähnten Damköhler-Zahlen-Effekte verringert wird. Somit gestattet die Erfindung einen Betrieb mit heißeren Wänden und/oder höheren Kompressionsverhältnissen, ohne daß dabei eine Frühzündung auftritt, wodurch der Kraftstoffwirkungsgrad verbessert und auch die CO- und HC-Emissionen gesenkt werden.
Die CO- und HC-Oxidation tritt gewöhnlich in einem Temperaturbereich unter 2250 °K auf, und zwar aufgrund des Ultra-Magergemisches. Die Gleichgewichtswerte der CO- und HC-Verschmutzungsstoffe sind bei den Verbrennungstemperaturen unter Drücken, die mit den Ultra-Magergemischen verbunden sind, extrem niedrig. Falls bei diesen Temperaturen und Drücken eine ausreichende Verweilzeit zur Verfügung steht, wird das Gemisch diese niedrigen Gleichgewichtspegel erreichen.
Herkömmliche mit Funkenzündung arbeitende Motoren haben nahezu adiabatische Verbrennungstemperaturen von annähernd 2850 °K. Derartig hohe Verbrennungstemperaturen führen zu extrem hohen Gleichgewichtspegeln für CO, die während des Expansionsvorgangs keine ausreichende Zeit zur Oxidation zu CO₂ haben, so daß extrem hohe CO-Emissionen die Folge sind.
Die Oxidation von CO zu CO₂ geschieht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hauptsächlich vor dem schnellen Expansionsvorgang, der konstant die Oxidation von einem gewünschten Gleichgewichtsprozeß zu einem geschwindigkeits- oder mengengesteuerten, kinetischen Prozeß ändert, eine Wirkung, die bei anscheinend allen Verdrängungsmotorkonstruktionen auftritt. Diese Wirkung hindert das CO daran, in niedrigen Temperatur- und Druckbereichen innerhalb des Expansionsprozesses den Gleichgewichtszustand zu erreichen und ist dadurch die Erklärung dafür, weshalb die herkömmlichen Funkenzündmotoren so hohe CO-Emissionen haben. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren dem verbrannten Gemisch aufgrund der Ultra-Magergemische extrem niedrige CO-Pegel zu erreichen, und in vielen Anwendungsfällen die effektiv verlängerte Nahe-Spitzenkompressionsdauer.
Im Verlauf des Expansionsprozesses werden die Abgase während des Spülvorgangs aus der Abgasöffnung bzw. den Abgasöffnungen mit Frischluft ausgespült. Der Spülungsstrom läßt sich durch eine oder mehrere mechanisch angetriebene oder elektrisch angetriebene Luftbewegungsvorrichtungen, beispielsweise Zentrifugalgebläse, Ventilatoren, Verdrängerpumpen oder Turbolader, beschleunigen. Auch kann eine geeignete Wellenspülvorrichtung, wie im US-Patent 5 524 587 beschrieben, benutzt werden. Ein überschüssiger Frischluftstrom kann während dieses Vorgangs zur zusätzlichen Teilekühlung Verwendung finden. Alternativ dazu könnte ein Teil der Abgase nach dem Spülvorgang in der Schieberzelle verbleiben, um als Verflüssigungsmittel zu dienen oder die Temperatur des Gemisches zu erhöhen und dadurch die Verbrennung bei niedrigen Krafteinstellungen zu unterstützen. Ein Turbolader könnte automatisch die letztgenannte Funktion erfüllen, wenn die Krafteinstellungen gesenkt werden. Ein abgasgetriebener Turbolader mit oder ohne Zwischenkühler kann ebenfalls Verwendung finden, um die Ladungsdichte am Einlaßkanal zu erhöhen und dadurch die Energiedichte zu vergrößern. Bei einer solchen Turboladungsanordnung wird der Abstand zwischen den Einlaß- und Austrittskanälen wichtig, um den Druckgewinn zu bestimmen und die Spülleistung. Turbolader, die hohe Druckverhältnisse erzeugen, sollten zweckmäßigerweise eine Innenkühlungsvorrichtung aufweisen, um zu verhindern, daß die Spitzenverbrennungstemperaturen zu hoch werden und damit ein Energieverlust entsteht, sobald ein gegebener niedriger NO_x-Emissionspegel dazu zwingt. Die Kraft bzw. Energie eines Motors, der von dem erfindungsgemäßen Verfahren Gebrauch macht, läßt sich durch Reduzierung des Äquivalenz- oder Verdünnungsverhältnisses drosseln, und zwar als eine Alternative zur Reduzierung der Dichte der Einlaßcharge, wie dies bei den meisten vorhandenen Verdrängermotoren mit vorgemischten Luft- und Kraftstoffmischungen der Fall ist. Dieses Merkmal ermöglicht bei einer gegebenen Drehzahl einen Bereich der Energieabgabe, ohne daß der den Wirkungsgrad reduzierende Schritt der Vakuumerzeugung in der Ansaugleitung bei Teillasteinstellungen Verwendung finden muß. Somit macht es dieses Merkmal möglich, durch das erfindungsgemäße Verfahren den gesamten Kraftstoffwirkungsgrad für Kraftfahrzeuganwendungsfälle, in denen Motoren gewöhnlich im Teillastbetrieb betrieben werden, günstig zu beeinflussen. Ein derartiger Wirkungsgradgewinn führt auch zwangsläufig zu einer Verschmutzungsreduzierung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbar ist.
Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen besondere und unerwartete synergetische Effekte. Als erstes ist zu nennen, daß die Kombination der vollständigen Durchmischung vor der Verbrennung eines "ultramageren" Kraftstoff-Luft-Gemisches und die vollständige Verbrennung in Kombination mit einem UCD in einem Gleitschiebermotor zu einer Verringerung der NO_x-, CO- und HC-Emissionen im Vergleich zu den Emissionspegeln führt, die gegenwärtig bei Verdrängermotoren erreicht werden.
Jeder dieser Schritte in Kombination und miteinander verbunden führt zu einem Ergebnis, das besser ist als die Summe seiner Teile. Wie bereits festgestellt, erleichert die adäquate Vormischung einer ultramageren Kraftstoff-Luft-Charge vor der Verbrennung an einem geeigneten Ort das Entstehen niedriger NO_x-Emissionen. Die UCD ermöglicht, daß die ultraarme Kraftstoff-Luft-Charge vollständig und zuverlässig verbrannt wird, was bei herkömmlichen Funkenzündmotoren nicht der Fall ist. Die ultramagere Kraftstoff-Luft-Charge ermöglicht des weiteren, daß höhere Kompressionsverhältnisse und heißere Wandtemperaturen ohne Frühzündung erreicht werden, wodurch die CO- und HC-Emissionen weiter gesenkt werden und der Kraftstoffwirkungsgrad verbessert wird, so daß die CO₂-Emissionen effektiv niedriger sind. Darüber hinaus kann der nahe Spitzenkompressionsbereich ausgedehnt werden, um Ultramager-Verbrennung über einen weiteren Bereich von Betriebsgeschwindigkeiten, Leistungseinstellungen und Bedingungen zu erreichen, und zwar bei einer ausreichenden Verweilzeit, so daß CO- und HC-Verunreinigungen fast vollständig verbrennen können.
Dazu kommt, daß die hohe Energiedichte der Zweitakt-Gleitschieberkonstruktion es ermöglicht, daß Ultramager-Kraftstoff-Luft-Chargen verwendet werden können, ohne daß extrem hohes Gewicht und Baugröße pro PS in Kauf genommen werden müssen, wie dies bei einem Kolbenmotor der Fall ist, wenn dieser mit derartig mageren Gemischen arbeiten könnte. Wichtig ist, daß die Schiebermotorkonstruktion zuläßt, daß ein UCD praktisch benutzt wird, wodurch die Zuverlässigkeit und Schnelligkeit des Verbrennungsprozesses sehr stark erhöht werden, und daß eine solche Konstruktion praktisch nicht für Kolben- und Wankelmotoren brauchbar ist, da bei diesen herkömmlichen Verdrängermotoren keine physikalische Zone gegeben ist, die kontinuierlich der Verbrennungsphase ausgesetzt ist. Die Gleitschieberkonstruktion ermöglicht die konstante Einspritzung von Kraftstoff in die Motorkammer, wodurch die komplexe zyklische Einspritzung vermieden wird, die mit Dieselmotoren verbunden ist. Die Gleitschieberkonstruktion ermöglicht außerdem eine dramatische Verringerung des Ölschmiermittelpegels, der im Motorzyklus vorgehalten werden muß, wodurch die Verschmutzung maximal verringert wird, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten wird und als Folge höherer Wandtemperaturen in Verbindung mit dem ultramageren Gemischverhältnis ein höherer Kraftstoffwirkungsgrad ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren räumt somit den Weg frei für eine neue Generation von Verdrängungsmotoren für praktische Anwendungen, die durch geringe Verschmutzung, hohe Effizienz und niedriges Gewicht sowie geringe Größe gekennzeichnet sind.
Die Verschmutzungsemissionen lassen sich direkt oder angenähert mit Hilfe herkömmlicher chemischer Analysen messen. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf J. B. Heywood, Internal combustion Engine Fundamentals, Mc-Graw Hill, 1988, Kapitel 11; und N. K. Rizk und H. C. Mongi, "Three-Dimensional Gas Turbine Combustor Emissions Modeling", Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Bnd. 115, Juli 1993, S. 603 – 619, verwiesen, die Diskussionen bezüglich gewisser Verschmutzungsemissionen betreffende Gleichungen enthalten.
Viele haben viel Zeit und Geld in die Forschung möglicher alternativer Kraftstoffe des Alkoholtyps, beispielsweise Methanol und Äthanol, gesteckt, um gewisse Verschmutzungsstoffe in gewissem Umfang zu vermeiden. Diese Kraftstoffe, die im Vergleich zu dem herkömmlichen Kraftstoff extrem teuer sind, senken jedoch die Emissionen nicht in einem hohen Maß und erzeugen darüber hinaus höhere Pegel an Aldehyde-Emissionen. Die Erfindung überwindet diese Nachteile dadurch, daß sie es ermöglicht, herkömmliche Kraftstoffe zu verwenden und trotzdem die Pegel der Hauptverschmutzungsstoffe zu senken. Obgleich andere Kraftstoffe ebenfalls im Rahmen des erfindungsgemäßen Konzepts Verwendung finden könnten, ermöglicht die Erfindung, daß eine niedrige Verschmutzungsemission erreicht wird, ohne daß die Infrastruktur der Weltkraftstoffversorgung geändert werden muß.
Es ist für den Fachmann klar, daß verschiedene Abänderungen und Variationen in dem System und am Verfahren der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Es ist somit beabsichtigt, daß die vorliegende Erfindung die Abänderungen und Variationen dieser Erfindung mit abdeckt, vorausgesetzt, daß sie innerhalb des Umfangs der beigefügten Patentansprüche liegen.

Claims

Verfahren zur Reduzierung von Abgasverunreinigungsemissionen einer 2-Takt Gleitschieberbrennkraftmaschine (20) mit Schiebern (24), die in mindestens einer radialen oder axialen Komponente der Schieberbewegung gleiten und wirksame Niveaus von Abgasen oder Verdünnungsgasen außer Luft in einer Einlassladung einschließen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einführen einer Brennstoff-Gaskombination (C) in eine Schieberzelle (29); Komprimieren der Brennstoff-Gaskombination; Verbrennen der Brennstoff-Gaskombination und Spülen der verbrannten Brennstoff-Gaskombination nach einem Expansionszyklus, dadurch gekennzeichnet: dass die Brennstoffgaskombination eingeführt wird in einem Gleichgewichtsverhältnis von kleiner als 1,0 und einem Verdünnungsverhältnis von kleiner als 0, 65 und an einem Ort derart, dass der Umfangsabstand bei der Mittelzellenhöhe zum Ort des Stators (26) am Beginn der Verbrennung (L) mindestens etwa das Vierfache einer Schieberzellenhöhe am Einlass (H) ist, und dass die Brennstoffgaskombination während des Vermischens komprimiert wird zu einer dimensionslosen Konzentrationsfluktuationsfraktion von weniger als 0,25 vor dem Beginn der Verbrennung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Gleichgewichtsverhältnis der Brennstoffgaskombination kleiner als 0,90 ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, darüber hinaus umfassend den Schritt der Leistungseinstellung in der Maschine durch die Einstellung des Verdünnungsverhältnisses, wobei das eingestellte Verdünnungsverhältnis weniger als 0,65 ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, darüber hinaus einschließend den Schritt der Leistungseinstellung in der Maschine durch die Einstellung des Äquivalenzverhältnisses, wobei das eingestellte Äquivalenzverhältnis geringer als 1, 0 ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Äquivalenzverhältnis der Brennstoffgaskombination geringer als 0,60 ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Äquivalenzverhältnis der Brennstoffgaskombination geringer als 0,50 ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Äquivalenzverhältnis der Brennstoffgaskombination geringer als 0,65 ist.