WO1996013655A1 - Verfahren zur verbesserung des wirkungsgrades und des emissionsverhaltens einer brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, mit eventuell nachgeschaltetem Katalysator. Einerseits wird ein neues Konzept vorgeschlagen und andererseits läßt sich diese Erfindung in bestimmten Ausformungen auf bestehende Ottomotoren anwenden. Es ist die primäre Aufgabe, die Schadstoffemissionen zu senken und/oder den Wirkungsgrad zu erhöhen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Einblasung von Gasen, die auch Kraftstoff enthalten können, in den Brennraum erreicht. Dadurch wird vor allem eine steuerbare, effiziente Turbulenzerzeugung im Brennraum (insb. während der Verbrennung) erreicht. Die Einblasung erfolgt vorzugsweise gepulst und zeitlich und mengenmäßig in Abhängigkeit vom Betriebspunkt steuerbar. Damit sind insbesondere das Kaltstart- und Warmlaufverhalten sowie der Teillastbereich der Brennkraftmaschine zu verbessern. Weiterhin wird u.a. auch vorgeschlagen, durch die Einblasung ebenfalls eine Schichtladung zu realisieren.

Description

Verfahren zur Verbesserung des Wi rkungsgrades und des Emi ss i onsverhal tens ei ner Brennkraftmaschi ne

Die Erfindung betrillt ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades und des Emissionsvcrhaltens einer BrennkiaAmaschinc. Diese Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine fremdgezündetc Breunkrnftn.nsch.inc, welche im Folgenden auch als Ottomotor bezeichnet wird. Einerseits wird ein neues Konzept fiir Ottomotoren vorgeschlagen und andererseits läßt sich diese Erfindung in bestimmten Λusformungen auf bestehende Ottomotoren anwenden, so daß diese verbessert betrieben werden kϋimen.

Heutige Ottomotoren erzeugen nach wie vor hohe Rohemissionen und werden häufig weitab vom optimalen Wirkungsgrad betrieben. Dies gilt insb. für bestimmte Betriebspunkte, wie z. B. den Kaltstail/Waπnlaufphasc und die Teillast. Neben anderen Vorteilen, z.B. beim dynamischen Betrieb, richtet sich diese Erfindung primär auf die Senkung der Rohemissionen und auf die Erhöhung des Wirkungsgrads.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Verbesserung des Wirkungsgrades und einer Senkung der Emissionen. Dieses geschieht für viele Betricbszustände des Motors (z.B. Kaltstart, Warmlaufphase, warmer Betrieb, Teillast, Vollast,... ).

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. D.h. die Senkung der Emissionen oder die Erhöhung des Wirkungsgrads wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch Einblascn eines Zusntzgases oder eines Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff in den Brennraun, oder Herausziehen von Gas aus dem Brennraum eine zusätzliche Turbulenz in der Ladung erzeugt wird.

Durch, die Intensität der Turbulenz wird insbesondere der Verbrcnnungsablauf steuerbar. Dieses geschieht über die Beeinflussung der Flammengeschwindigkeit, die bekanntlich stark vom Turbulenzgrad des brennenden Gemisches abhängt. Auch durch die Ladungsbewegung und insbesondere die Schichtladung, die durch Einblasung hervorgerufen wird, kann Einfluß auf den Verbrennungsablnuf genommen werden (s.u.).

Durch die Erzeugung zusätzlicher Turbulenz kann die Vcrbrcniumgsgcschwindigkcit und damit der Druck und Tcmperaturvcrlauf im Brennraum, von außen gesteuert werden. Dieses geschieht durch das Einblascn eines Zusatzgases oder eines Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff so daß sich zusätzliche Steuerungsn.ϋgliclikciten ergeben durch die die innermotorische Verbrennung dynamisch an den Betriebszustand des Motors angepaßt werden kann. Im Falle des Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff kann es sein, daß der Kraftstoff noch nicht vollständig verdampft ist; es soll im Gegensatz zur bekannten Direkteinspritzung jedoch kein vollständig flüssiger Kraftstoff zugeführt werden. In ersten Experimenten wurde gezeigt, daß sich die Durchbrenngeschwindigkeit bis zu einem Faktor 10 erhöhen läßt.

Der Begriff "Einblasung" wird hier nicht nur im Sinne des üblichen Sprachgebrauchs verstanden, sondern es wird auch das "umgekehrte Einblasen", d.h. das Herausziehen von Gas oder Kraftstoff-Gas-Gemisch aus dem Brennraum als alternative Möglichkeit eingeschlossen.

Bei der Einblasung eines Gases mit genügend hohem Ü erdruck in einen Behälter entstehen größere und kleinere Wirbel im Strömungsfeld. Wenn sich die lokale Geschwindigkeit im Strömungsfeld ständig mit der Zeit ändert handelt es sich um eine turbulente Strömung. Die instationären Wirbel zerfallen mit der Zeit. d.h. sie werden kleiner und kleiner und geben ihre kinetische Energie an die Umgebung ab. Bei der Einblasung vermischt sich das eingeblasene Gas mit dem vorhandenen Gas. Ein grobes Maß für die Turbulenzintensität sind z.B. die lokalen Schwankungen (Abweichung vom Mittelwert) der Strömungsgeschwindigkeit. Die Turbulenz kann sowohl mit einer Unterschall- als auch mit einer Überschalleinblasung erreicht werden.

Die Einblasung wird erfindungsgemäß zur Anregung von zusätzlicher Turbulenz im Brennraum eingesetzt, d.h.. durch die Einblasung wird eine erhöhte Turbulenzintensität des Strömungsfeldes im Brennraum erzeugt. Erhöht heißt, daß die Turbulenz höher ist als sie ohne Einblasung beim jeweiligen Betriebspunkt wäre. Dabei kann es wünschenswert sein, die durch die Hauptgemischzufi hr oder die Brennraumform erzeugte Turbulenzintensität gering zu halten. Der Turbulenzgrad ist ohne Einblasung aber bekanntlich auch über die schnelle Kolbenbewegung stark von der Drehzahl abhängig.

Die Einblasung erfolgt vorzugsweise gepulst, d.h. während bestimmter Zeitabschnitte während des Arbeitsspiels des Ottomotors. Insbesondere ist es sinnvoll, die TurbuleiiaZanregung während der Kompressionsphase kurz vor der Verbrennung vorzunehmen, da die Turbulenz eine endliche "Lebensdauer" hat und der nötige Hinterdruck der Einblasung vor der Verbrennung gewöhnlich geringer ist. Die Intensität der Turbulenz kann in gewissen Grenzen durch die zeitliche Lage des Einblasintervalls vor der Zündung variiert werden. Durch die Verwendung von elektronisch ansteuerbaren Magnetventilen wird der Zeitpunkt und die Dauer der Einblasunε steuerbar. Als einzublasendes Gas wird vorzugsweise Luft oder Abgas verwendet. Als einzublasendes Zusatzgemisch aus Gas und Kraftstoff wird vorteilhaft ein kraftstofifreiches

Gemisch verwendet. Für die Einblasung ist eine zusätzliche Öföiung am Brennraum anzubringen. Zusätzlich bezieht sich darauf, daß sich am Brennraum ohnehin die notwendigen

Öf-Eαungen für Ein- und Auslaßventile befinden. Es kann von Vorteil sein, diese Öflhung in der

Nähe der Zündkerze anzubringen. Die Einblasung erfolgt vorzugsweise in der frühen oder eventuell auch späten Kompressionsphase um zusätzliche Turbulenz während der

Verbrennung zu erzeugen. Die Einblasung muß mit Überdruck gegenüber dem

Brennrauminnendruck erfolgen, so daß es sich um eine Hochdruckinjektion handelt.

Die Turbulenzerzeugung im Brennraum dient in erster Linie einer geregelten Erhöhung der Durchbrenngeschwindigkeit. Durch eine zeitüche Ansteuerung des Turbulenzerregers

(z.B. durch Lufteinblasung) kann dies gezielt auch auf einzelne Phasen der Verbrennung angewandt werden. Dabei ist die Zeitkonstante der Steuerbarkeit hauptsächlich durch die

Abklingzeit der Turbulenz beschränkt (s.u.). Zum einen kann dadurch eine Beschleunigung und Stabilisierung der frühen Verbrennungsphase erreicht werden, indem die Oberfläche des frühen Flammenkerns durch Turbulenzeinwirku/ng stark zerklüftet wird. Ahnliches wurde bisher durch Plasmajet- und Flammenstrahl-Zündanlagen angestrebt, die ebenfalls mit einer

Vergrößerung der initialen Flammenfront arbeiten.

Im Gegensatz zu diesen bekannten Techniken läßt sich die Turbulenzanregung durch Einblasung eines Zusatzgases oder eines Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff jedoch auch auf die späteren Phasen der Verbrennung anwenden. Dieses ist besonders wichtig bei der Verwendung sehr magerer Gemische. Insbesondere in der späten Verbrennungsphase, wenn die Verbrennung tendenziell in Wandnähe abläuft, besteht durch Wärmeverluste zur Wand die Gefahr der Flammenlöschung. Dies kann durch Förderung der wandnahen Verbrennung vermieden werden, indem mittels Turbulenz Wärme und Radikale in die wandnahen Schichten aus weniger wandnahen Schichten transportiert werden. (Durch die dadurch erreichte wesentlich schnellere Verbrennung sind die Wärmeverluste zur Wand während der Verbrennung u.U. sogar geringer als ohne Turbulenzeinwirkung, obwohl Wärme in Richtung Wand transportiert wird. )

Es ist auch ein Vorteil dieser Erfindung, eine erhöhte Unabhängigkeit von der Brennraumform zu erreichen und im Prinzip an nahezu jede Brennraumfoπn adaptierbar zu sein. Es ist ein besonderer Vorteil, daß dadurch auch besonders einfache (unzerklüftete) Brennraumformen in Frage kommen, was einerseits die Kosten und andererseits die HC- Emissionen senken kann.

Diese Freiheit im Bezug auf die verwendete Brennraumform (und die Form des Einlaßkanals etc.) wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Gemischbildungsvorgang und der Verbrennungsablauf, die gewöhnlich durch bestimmte Formen von Brennraum. Ventilen und Einlaßkanal etc. gezielt beeinflußt werden, hier durch die Einblasung über einen weiten Bereich von außen beeinflußbar werden. Zum Beispiel können gewisse bekannte Maßnahmen zur Erzeugung von Turbulenz wie z.B. Quetschflächen, gewundene Einlaßkanäle oder spezielle Kolbenmulden entfallen, da durch die Einblasung alleine die gewünschte Turbulenz erzeugt werden kann. Häufig werden auch Maßnahmen zur gezielten Anregung gewisser Ladungsbewegungen (z.B. Drall) ergriffen. Auch dies kann in einer Ausformung der Erfindung durch Einblasen erreicht werden, indem die Einblasung an einer geeigneten Brennraumstelle mit geeigneter Richtung angebracht und zeitlich entsprechend gesteuert wird.

Daneben wird die Einblasung vorzugsweise auch zur (zum Teil gleichzeitigen) Erreichung anderer Effekte eingesetzt: Dies sind a) die Erzeugung einer Schichtladung, b) die Erzeugung von Ladungsbewegung, c) die Beeinflussung der Nachbreunphase (später Verbrennungs- und Auslaßtakt) und die jeweils daraus folgenden Effekte, wie unten näher ausgeführt wird.

Daneben kann die aAnregung von Turbulenz auch zur Aufbereitung der frischen Ladung vor der Verbrennung eingesetzt werden. z.B. zur besseren Vermischung im Einlaß- oder Kompressionstakt, oder um in der Warmlaufphase die Ablösung von Wandfilmen zu beschleunigen. Daneben können durch Turbulenzeinwirkung oder auch Lufteinblasung während der späten Expansions- und/oder der Auslaßphase die chemischen Nachreaktionen im Brennraum gefördert werden, was z.B. zur weiteren Senkung der HC-Emissionen dienen kann.

Die Geometrie des Brennraums (sowie der Ventile und des Einlaßkanals) hatte bisher einer Reihe unterschiedlicher Kriterien zu genügen, wie hoher Luftzufuhrrate bei Vollast (volumetric efficiency), kurzer Brennwege. Turbulenzerzeugung, geringem Zerklüftungsgrad, geringer Wärmeverluste und in einigen Fällen sogar der Erzeugung einer Schichtladung. Aufgrund der Vielzahl dieser divergierenden Aufgaben mußten hier Kompromisse eingegangen werden (z.B. zwischen Turbulenzerzeugung durch Brennraumgestaltung und Wärmeverlusten des Brennraums). Durch die Erzeuεuns einer Schichtladunε und εenüeender Durchbrenngeschwindigkeit auf anderem Wege kann sich die Brennraumgestaltung in diesem

Konzept auf die Faktoren Zerklüftungsgrad. Wärmeverluste und hohe Luftzufuhrrate konzentrieren. Dieses führt zu einem einfachen, kompakten Brennraum mit größtmöglichen

Ventilen. (Wegen der Einfachheit können hier Kosten eingespart werden, was z.T. zur

Deckung der Kosten für die Einblasung f hrt.) Gleiches gilt für den Einlaßkanal: Auch dieser hatte bisher häufig die Funktion, die Brennraumturbulenz zu erhöhen. Hier kann der

Einlaßkanal jedoch einfach und geradlinig ausgeführt werden, da diese Aufgabe entfällt. Damit sinkt auch der Strömungswiderstand, was ebenfalls zur Steigerung der maximalen

Luftzufülirrate führt. Die Brennraumform spielt in diesem Konzept also primär eine untergeordnete Rolle und durch die vorgeschlagenen Steuermittel ist eine Anpassung der

Verbrennung au eine Vielzahl verschiedener Brennraumformen möglich. Diese relative

Unabhängigkeit vom Brennraumtyp kann u.U. eine Nachrüstung bestehender Motoren ermöglichen.

Schon durch die steuerbare Beeinflussung des Verbrennungsablaufs über die Turbulenzanregung ergeben sich eine Reihe von Vorteilen:

Es ist an sich bekannt, daß Turbulenz im Brennraum sehr effektiv durch einen eingeblasenen Gasfreistrahl erzeugt werden kann. Der gleiche aAnmelder schlägt in P44 38 735 die Einblasung eines Gases zur Erhöhung der Turbulenz (und Ladungsbewegung) beim Kaltstart und in der Warmlaufphase einer Brennkraftmaschine vor. Diese Art der Turbulenzerzeugung hat gegenüber anderen (z. B. spezielle Ausformungen von Einlaßkanal. Ventilen. Kolbenmulden) die Vorteile, daß a) eine starke Turbulenz zum erwünschten Zeitpunkt, d. h. in der Regel kurz vor oder während der Verbrennung, erzeugt werden kann (was durch "externe" Maßnahmen wie z. B. die genannten Ausformungen von Einlaßkanal und Ventilen schwierig ist), und daß b) die Turbulenzerzeugung schnell, d. h. im Prinzip von einem Arbeitszyklus zum nächsten, über einen weiten Bereich reguhert (elektronisch gesteuert oder geregelt) werden kann. Letzteres bedeutet wie bereits erwähnt, daß die Turbulenzerzeugung damit an den jeweiligen Betriebspunkt und die Änderung desselben ("dynamisches Verhalten") angepaßt werden kann, was ein wesentüches Kennzeichen ist.

NOx-Bildung. HC-Freisetzung und Wirkungsgrad hängen bei der ottomotorischen Verbrennimg allgemein stark vom jeweiligen Verbrennungsablauf, insb. den dabei auftretenden Drücken und Gastemperaturen in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel, ab. In der Regel steht beim einfachen Ottomotor .zur Anpassung des Verbrennungsablaufs an die Eingangsparameter (Last. Drehzahl und auch Motortemperatur insb. beim Kaltstart), die über einen weiten Bereich variieren, nur der Zündzeitpunkt (seltener variable AGR-Rate oder variable Ventilsteuerzeiten) als freier Parameter zur Verfügung (die mittlere Stöchiometrie wird häufig durch die heute verwendeten Katalysatoren vorgegeben). Daher müssen häufig Kompromisse zwischen den verschiedenen Emissionen und dem Wirkungsgrad eingegangen werden. Durch die Steuerung der Verbrennungs Geschwindigkeit über zusätzliche Turbulenz und/oder der Schichtung der Ladung entstehen neue freie Parameter, so daß der Verbrennungsablauf von außen durch neue Steuermittel wesentüch besser an den Betriebszustand angepaßt werden kann. Zum Beispiel wird bei magerem Betrieb ein genügend frühzeitiges Durchbrennen (z.B. zur Vermeidung von hohen HC-Emissionen) durch Vorverlegen des Zündzeitpunkts erreicht, wobei aber der Wirkungsgrad sinkt, da ein Teil der chemischen Energie vor dem oberen Totpunkt umgesetzt wird. Dies kann z.B. durch die Erfindung vermieden werden, indem der Zündzeitpunkt nicht vorverlegt wird und ein hinreichend schnelles Durchbrennen entweder durch Turbulenzsteigerung oder durch ein Verkürzen der Entflammungsphase durch Schichtladung herbeigeführt wird. Es kann auch sinnvoll sein, insb. die frühe Flammenkernentwicklung zu beschleunigen, indem die fette Verbrennung in der frühen Phase zusätzlich gezielt durch Turbulenz gefördert wird.

Im folgenden wird auf die Vorteile der Maßnahme bezüglich der Hauptkriterien der Bewertung eines Ottomotors im einzelnen eingegangen:

NOχ-EMISSIONEN: Eine wesentliche Verringerung der NO_x-Rohemissionen (z.B. Faktor 10 gegenüber stöchiometrischem Betrieb) wird hauptsächlich durch eine starke Abmagerung der mittleren Ladungszusammensetzuug angestrebt, was allgemeinen Erkenntnissen entspricht. Alternativ wird auch die Verwendung hoher Abgasrückführraten möglich. Im einzelnen hängt die NO-Bildung in der Verbrennung des weiteren stark vom Temperatur- und Druckverlauf des Gases ab. Unter mageren Bedingungen ist insbesondere die Zeit zwischen dem Zündzeitpunkt und dem Zeitpunkt, zu dem der maximale Zylinderdruck erreicht ist. entscheidend, da die NO-Rückbildung vergleichsweise früh einfriert. Besonderen Einfluß hat dabei die Verweilzeit heißen Gases, so daß ein später Zündzeitpunkt und eine schnelle Verbrennung sinnvoll sind. Dies wird trotz der Abmagerung durch die Turbulenzanregung erreicht, so daß insb. eine nennenswerte Verbrennung von Kraftstoff vor OT vermieden wird (im Gegensatz dazu machte bisher gewöhnhch eine Abmagerung ein Vorverlegen des

Zündzeitpunktes notwendig). Daneben kann der Verlauf der Entflammungsphase und der frühen Verbrennung über die Ausgestaltung der Schichtladung beeinflußt werden. Durch die hier vorgeschlagenen Maßnahmen wird also inbesondere die Verbrennungstemperatur steuerbar, so daß damit die NO-Bildung günstig beeinflußt werden kann.

HC-EMISSIONEN: Grundvoraussetzung für geringe HC- Rohemissionen bei magerem Betrieb ist eine schnelle und vollständige Verbrennung, wie sie hier durch zusätzliche Turbulenz erreicht wird. Für die Vollständigkeit der Verbrennung ist eine hohe Durchbrenngeschwindigkeit sinnvoll, damit auch im Teillastbereich genügend hohe Gastemperaturen erzielt werden und ausreichend Zeit für Nachreaktionen bereitsteht. Daneben trägt ein unzerklüfteter Brennraum, wie er hier vorgesehen ist. zur Senkung der HC- Emissionen bei. Eine hochturbulente Verbrennung verbessert weiterhin die Umsetzung von Kraftstoff in Wandnähe und in Spaltenvolumina. Es besteht auch potentiell die Möglichkeit, mit derselben Turbulenzerzeugung die Nachverbrennung zu fordern, indem die Vermischung wandnaher, unverbrannter Kraftstoffschichten (von abdampfenden Wandfilmen) mit dem heißen Zylindergas verbessert wird. Unter der speziellen Bedingung, daß über die Einlaßventile nur Luft gefördert wird (s.u.). kann der Kontakt von Kraftstoff mit den Brennraumwänden vermieden werden, was zur weiteren Reduzierung von HC-Emissionen führt. Eine besondere Rolle im Bezug auf die HC-Emissionen kommt der Kaltstartproblematik zu. Zusätzlich kann z.B. ein einfacher Oxidationskatalysator zur Reduzierung der übrigen HC- und CO- Emissionen eingesetzt werden.

CO-EMISSIONEN: Diese hängen entscheidend vom Kraftstoff-Luft- Verhältnis ab. Im sehr mageren Bereich (Luftzahl größer 1.6) sind daher geringe Rohemissionen in der Größenordnung 0, 1% zu erwarten. Daneben tragen chemische Nachreaktioneu zur CO- Reduzierung bei. was u.U. durch Turbulenzsteigerung nach der Verbrennung mit Hilfe desselben Turbulenzerregers gefördert werden kann. Auch für die CO-Freisetzung ist die hier vorgesehene Lösung der Kaltstartproblematik von wesentlicher Bedeutung.

WIRKUNGSGRAD: Mit einer Abmagerung der mittleren Gemischzusammensetzung geht bekanntlich aus verschiedenen Gründen eine erhebüche Wirkungsgradsteigerung einher, solange die Verbrennung vollständig und genügend schnell ist. Eine nennenswerte Umsetzung von Kraftstoff vor OT ist zu vermeiden (vgl. NO_x- Emissionen). Des weiteren werden unter

Teillastbedingungen Drosselverluste teilweise durch eine Diesel-ähnliche Regelung der Leistung mit Hilfe der Schichtladung reduziert (s.u.). Durch die schnellere und damit stabilere Verbrennung auch im Leerlauf werden niedrigere Drehzahlen ermögücht. Daneben wird der Wirkungsgrad signifikant über die Verringerung von Wärmeverlusten durch eine kompakte Brennraumform gesteigert. Außerdem wird schon durch die Turbulenzanregung eine wesentüche Verbesserung des Wirkungsgrads beim Kaltstart erreicht (s.u.). Schheßüch hängt der erreichbare Wirkungsgrad bekanntüch mit der Klopfiieigung und dem Ausmaß zyküscher Verbrennungsschwankungen zusammen (s.u.)

KLOPFNEIGUNG: Es bestehen in diesem Konzept verschiedene Ansätze, die Neigung zu klopfender Verbrennung und die damit zusammenhängende Anforderung an die Oktanzahl des Kraftstoffs zu reduzieren und durch Erhöhung des Kompressiousverhältnisses den Wirkungsgrad zu steigern. Die verschiedenen in diesem Konzept bereitgestellten Einflußmögüchkeiten auf die Entflammungsphase und die einzelnen Phasen der Verbrennung mittels Turbulenz und der Form der Schichtladung können dazu genutzt werden, die Verbrennung bei jedem Betriebspunkt bis maximal an die Klopfgrenze heranzufahren und dabei Emissionen und Effizienz zu optimieren. Dabei ist vor allem der Turbulenzgrad in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel sorgfaltig zu dosieren, da dieser erhebüche Auswirkung auf die Klopfiieigung hat. Der stark abgemagerte Großteil der Ladung (oder reine Luft, s.u.) neigt zunächst nicht zu klopfender Verbrennung. Während der Verbrennung des kleineren, fetteren Teils nahe der Zündkerze ist eine explosionsartige Verbrennung dagegen unwahrscheinlich, da Druck- und Temperaturwerte noch vergleichsweise niedrig sind. Die größte Klopfiieigung tritt gewöhnhch bei VoUast auf. wenn der Großteü der Ladung fetter gestaltet wird. Es ist ein besonderer Vorteil dieses Konzeptes, daß aufgrund des hier mögücheu geringen Grundturbulenzgrads des Brennraums (es soll i.A. wenig Turbulenz durch die Hauptgemischzuführung erzeugt werden) die Turbulenz bei VoUast stark herabgesetzt werden kann, was der Klopfiieigung entgegenwirkt. Weiterhin kann verbesserte Gemischaufbereitung zur Reduzierung der Klopfheigung beitragen, was durch Turbulenz vor der Verbrennung erreicht werden kann. Eine andere Wirkungsweise besteht darin, die Flammenfront zu eine bestimmten Zeitpunkt durch Turbulenz stark zu beschleunigen, damit nur geringe Zeit zur Bildung von Selbstzündungszentreπ vor der Flammenfront zur Verfügung steht. Weiterhin hängt die Klopfiieigung vom Ausmaß zyklischer Verbrennungsschwankungen ab. da es stets zunächst einzelne extreme Zyklen sind, in denen Klopfen auftritt.

ZYKLISCHE VERBRENNUNGSSCHWANKUNGEN: Auch in dieser Hinsicht ist bekanntlich ein schnelles, vollständiges Durchbrennen erwünscht, was hier vor allem durch Turbulenz erreicht wird. Daneben ist die zyküsche Schwankungsbreite der Ladungszusammensetzung insbesondere an der Zündkerze wichtig, da sich der frühe, vergleichsweise langsame Teil der Verbrennung am stärksten auf den Gesamtverlauf der Verbrennung auswirkt. Daher ist es sinnvoll, diesen Ladungsteil von der Hauptgemischzuführung zu entkoppeln, wie es hier durch ein Schichtladungskonzept mit zwei Zuführungsorganen erreicht werden kann (denn die Hauptgemischzufuhr ist oft Schwankungen. z.B. beeinflußt durch den jeweils vorhergehenden Zyklus, unterworfen, wie sie z.B. durch Waudfilmeffekte bei Saugrohreinspritzung entstehen: vgl. auch dynamisches Motorverhalten^' im Folgenden). Außerdem hat die durch Turbuleuz erreichte Vergrößerung der frühen Flammenkernoberfläche wie bereits erwähnt eine stabiüsierende Wirkung auf diese wichtige Phase der Verbrennung und damit auf die zyküschen Schwankungen.

Offenbar hat die gesteuert Einstellung der Durchbrenngeschwindigkeit durch Turbulenz direkt oder indirekt einen positiven Einfluß auf alle diskutierten Hauptkriterien.

Nach einer vorteilhaften weiteren Ausbildung des Verfahrens wird die Erzeugung einer erhöhten Turbulenz durch Einblasen auch während des Kaltstarts oder der Warmlaufphase des Motors eingesetzt, wodurch die Wandfilme im Brennraum beschleunigt abgebaut werden.

Beim Kaltstart und in der Warmlaufphase (was im folgenden kurz mit "Kaltstart" zusammengefaßt wird) ergeben sich durch die Turbulenzanregung folgende Vorteile:

Mit dem Ziel eines besseren Kaltstartverhaltens wird allgemein eine Verminderung des hohen Schadstoffausstoßes und eine Verbesserung der Kraftstoffausnutzung (Wirkungsgrad) einer Brennkraftmaschine (BKM) verfolgt. Daneben ergeben sich weitere, untergeordnete Vorteile, insbesondere eine Verbesserung der Laufruhe und die Verringerung von Vorwärmzeiten. Im Moment wird der Kaltstart vor aüem durch die Anreicherungsstrategie betrieben: dieses führt zu hohen HC- und CO- Emissionen. Zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens sind im wesentüchen zwei Klassen von Maßnahmen bekannt: Die erste Klasse arbeitet mit dem Vorheizen der Ansaugluft oder von Bestandteilen der BKM, z.B. des ganzen Motorblocks. Zu diesen Maßnahmen gehört z.B. auch das Vorheizen des Brennraums durch Kompressionswärme, die durch Kompression von Luft im Brennraum gewonnen wird. Die zweite große aKlasse von Maßnahmen bezieht sich auf eine verbesserte Abgasnachbehandlung, um die in erhöhtem Maße freigesetzten Abgase zu beseitigen. Gegenwärtig werden z.B. folgende Maßnahmen von der Industrie entwickelt: Nachverbrennung von CO und Kohlenwasserstoffen (HC) durch eine Brennerflamme im Auslaßkanal der BKM; vorübergehendes Auffangen der Kohlenwasserstoffe in einer sogenannten HC-Falle, solange der Katalysator noch nicht betriebswarm ist: Vorheizen des Katalysators mittels einer auf diesen gerichteten Brennerflamme ( 10-20 kW Leistung). Diese oben beschriebenen Maßnahmen jedoch klammem das eigentüche Problem der unzureichenden innermotorischen Verbrennung beim Kaltstart aus.

Die erste Klasse von Maßnahmen benötigt naturgemäß eine gewisse Vorwärmzeit und außerdem einen zusätzüchen Energieaufwand, bevor die BKM gestartet werden kann. Gegenüber diesen Methoden besteht ein Vorteil der Erfindung darin, die Vorwärmzeit und den Energieaufwand (weitgehend) überflüssig zu machen.

Die zweite Klasse von Maßnahmen ist nicht in der Lage, die schlechte Kraftstoffausnutzung (Wirkungsgrad) einer normalen BKM bei Kaltstart zu verbessern, da sie sich nur auf die Abgasnachbehandlung bezieht. Demgegenüber besteht ein Vorteil dieser Erfindung beim Kaltstart darin, die Kraftstoffausnutzung beim Kaltstart deutüch zu verbessern und gleichzeitig die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Außerdem ergibt sich eine verbesserte Laufruhe der BKM während der Warmlaufphase, was ebenfaüs nicht durch die zweite Klasse der Maßnahmen erreicht werden kann.

Die Probleme werden hier erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch Erzeugung einer erhöhten turbulenten Strömung durch Einblasung im Brennraum, der an der Brennraumwandung haftende Wandfilm abgebaut wird. Der Grad der Turbulenz ist hierbei höher, als der bei einer normalen, d. h. einer nicht modifizierten Brennkraftmaschine.

Das Kaltstartverhalteu eines Motors kann bekanntermaßen wesentüch dadurch verbessert werden, daß die Brennraumwände schneü auf eine hohe Temperatur, ähnüch dem warmen Zustand, aufgeheizt werden. Die hohe Wandtemperatur ist erwünscht, um die Ablagerung von Kraftstoffen und anderen Substanzen an den Wänden im Brennraum (Wandfilm) zu vermeiden. Der Kraftstofiwandfilm führt bekanntüch unmittelbar zu hohen HC- Emissionen und einer schlechten Kraftstoffausnutzung.

Neben der Heizung der Wandflächen kann es beim Otto-Motor auch von Vorteil sein, die Zündkerzentemperatur schneU auf Betriebstemperatur zu bringen, um Fehlzündungen zu vermeiden. Fehlzündungen sind ebenfaUs eine typische Ursache hoher HC-Emission und schlechter Kraftstoffausnutzung. Fehlzündungen werden nach dem vorgeschlagenen Verfahren vor allem auch dadurch vermieden, daß durch den Abbau des Kraftstofiwandfilms im Brennraum eine entsprechend erhöhte Kraftstoffdichte im Gas erreicht wird. Dadurch wird bekanntüch die Zündfähigkeit verbessert und die Notwendigkeit verringert, das Gemisch gezielt kraftstoffreich von außen einzustellen (aAnreicherungsstrategie). Diese häufig -zur Vermeidung von Fehlzündungen eingesetze Anreicherungsstrategie führt unmittelbar zu hohen CO- und HC-Emissionen. Dieses wird durch die Erfindung vermieden, da die Anreicherung des Gemisches (weitgehend) überflüssig gemacht wird, da Fehlzündungen wie unten beschrieben auf andere Weise vermieden werden.

Durch die Zufuhr von Gas wird eine Verkürzung der Aufheizdauer der Brennrauminnenwände vor allem durch eine Erhöhung der Flammengeschwindigkeit erreicht. Die Erhöhung der Flammengeschwindigkeit erfolgt durch eine Steigerung der Turbulenz während der Verbrennung. Der Abbau des an der Brennraumwandung befindlichen Wandfilms erfolgt zum einen durch eine turbulente Vermischung des im Brennraum befindlichen Gases mit dem Gas. das sich in unmittelbarer Nähe der Brennraumwandung befindet. Zum anderen wirkt ein zweiter Mechanismus. Wird während des Kompressionstaktes eine erhöhte Turbulenz im Brennraum erzeugt, dann ist gewählleistet, daß diese, wenn aucli mit abnehmender Intensität, auch in der Verbrennungsphase fortbesteht. Während der Verbrennungsphase wird durch die Turbulenz eine höhere Flammengeschwindigkeit erzeugt, die zu einer höheren Temperatur während der Verbrennung führt. Durch die höhere Temperatur wird die Brennraumwand schneüer aufgeheizt und hierdurch der Wandfilm abgelöst. Die Aufheizung akkumuliert sich von Kaltstart zu Warmlauf wenn bereits früh viele Zyklen mit hoher Verbrennungstemperatur erfolgen.

Außerdem führt die erhöhte Flammengeschwindigkeit bekanntüch selbst zu erhöhter Turbulenz und erzeugt daher eine Rückkopplung, die den Effekt verstärkt. Durch die erhöhte Temperatur erfolgt die Verbrennung aber auch näher an der Wand und bewirkt dort eine Verminderung des Wand-Quenching. Unter Wand-Quenching versteht man das Verlöschen der Flammen in Wandnähe.

Die Verminderung des Wand-Quenching bewirkt, daß zusätzhcher Kraftstoff, der sich in Wandnähe befindet (insb. abdampfender Wandfilm), in verstärktem Maße verbrannt wird. Insgesamt wird damit eine größere Kraftstoffmenge im Brennraum umgesetzt. Dadurch steigt nicht nur die Temperatur während der Verbrennungsphase, sondern auch die Temperatur des Gases und der Wandoberflächen gemittelt über das gesamte Arbeitsspiel. Dieses führt ebenfaüs zur weiteren Reduzierung der Wandfilme. Dieses steUt somit einen weiteren Rückkopplungseffekt dar, der den Gesamteffekt verstärkt. Die gesteigerte Gesamtumsetzung des Kraftstoffs führt auch unmittelbar zu einer Reduzierung der HC-Emissionen und zu besserer Kraftstoffausuutzung.

Eine erhöhte Turbulenz bringt aber nicht nur Vorteile während des Kompressioustaktes. sondern kann auch in allen anderen Takten zum Abbau des Wandfilmes durch turbulente Vermischung von Gas und wandnahen Schichten aus Kraftstoffdampf erfolgen.

Damit steigt auch die freigesetzte motorische Arbeit erheblich, bzw. es kann zur Erzeugung derselben Leistung weniger Kraftstoff eingesetzt werden. Nach der Warmlaufphase ist die Flammengeschwindigkeit bei anderweitig hervorgerufener hoher Turbulenz (z.B. durch die Kolbenbewegung) wieder zu drosseln, da es ansonsten zum Klopfen des Motors (explosionsartige Verbrennung) kommen kann.

Durch die voüständige und aufgrund erhöhter Flammengeschwindigkeit schneüere Kraftstoftumsetzung, sowie durch die Vermeidung von Fehlzündungen, wird eine verbesserte Laufruhe während der Warmlaufphase erreicht. Die Laufruhe kann bei fremdgezündeten BKM in der Warmlaufphase stark beeinträchtigt sein. Im einzelnen erfolgt die Verbesserung der Laufruhe erfindungsgemäß wie folgt: Zyküsche Leistungsschwankungeu entstehen zum einen durch eine von Zyklus zu Zyklus schwankende Zusammensetzung und Dichte der frischen Ladung, im wesentüchen durch Schwankungen des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses und des Restgasanteils. Dadurch schwankt schon die Ausgangssituation für die Verbrennung und damit auch die Verbrennung selbst. Die Zusammensetzung und Dichte der Ladung hängen vom Gaswechselprozeß im Aus- und Einlaßtakt ab und außerdem von (abdampfenden) Wandfilmeu im Zylinder und im Ansaugrohr. Beides wird von den Druck- und Temperaturverhältnissen des Gases im Zylinder am Ende der jeweüs vorausgehenden Verbrennungsphase beeinflußt und ist damit von der Verbrennung im vorigen Zyklus abhängig. (Durch den Gasaustauschprozess können auch Schwankungen in der Verbrennung in anderen Zylindern übertragen werden).

Dadurch beeinflußt ein Zyklus den jeweils darauffolgenden, was sich zu erhebüchen

Schwankungen aufschaukeln kann. Dieses wird erfindungsgemäß dadurch reduziert, daß die

Verbrennung schneller, d. h. mit erhöhter Flammengeschwindigkeit, und voUständiger abläuft.

Auch das Wand-Quenching ist reduziert und aufgrund der schnelleren Verbrennung steht eine längere Nachbrennzeit zur Verfügung. Dadurch sind die Druck- und Temperaturwerte am

Ende jeder Verbrennungsphase von Zyklus zu Zyklus ausgegüchener, so daß auch die

Schwankungen im Gaswechselprozeß reduziert werden. Außerdem sind die Wandfilme und die damit verbundenen Effekte (Abdampfen) reduziert. Beides führt zu kleineren zyküschen

Schwankungen in der Ladungszusammensetzung und damit der Leistung. Zum anderen können zyküsche Schwankungen der Leistung auch bei konstanter Ladungszusammensetzung durch kleine zeitüche Schwankungen im Verlauf der Entflammungs- und Verbrennungsphase hervorgerufen werden, die durch kleine zyküsche Schwankungen im Turbulenzgrad der

Ladung entstehen. Der Turbulenzgrad wird erfindungsgemäß aber von außen aufgeprägt und deutüch erhöht. Dadurch läuft die Verbrennungsphase deutüch schneüer und zeitüch gleichmäßiger ab. Auch dieses führt zur Reduzierung zyklischer Leistungsschwankungen.

Daneben führt auch die Vermeidung von Fehlzündungen trivialerweise zur Verbesserung der

Laufruhe.

Während der Warmlaufphase besteht der Wandfilm auch aus Wasser, das sich durch Kondensation von im Abgas enthaltenem Wasser an der kalten Brennraumwandung niederschlägt. Die erhöhte Turbulenz und Temperatur bewirkt ein Abtrocknen des Filmes mit der Folge einer verbesserten Zündfähigkeit im nächsten Zyklus.

Ist das Gas ein Gemisch, das auch Kraftstoff enthält, wird hierdurch sowohl eine bessere Zündfähigkeit des Gemisches als auch eine höhere Durchbrenngeschwindigkeit erreicht.

Vorteilhaft erfolgt die Erzeugung der Turbulenz in der Nähe der Zündkerze; hierdurch wird erreicht, daß die Erzeugung der Turbulenz gezielt auf die frühere Entflammungsphase angewandt werden kann und die Turbulenz im Großteil des Brennraums nicht erhebüch gesteigert zu werden braucht. Damit können die Maßnahmen zur Erzeugung der Turbulenz kleiner dimensioniert werden. An Hand eines Beispiels wird die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert: In einem Test wurde bei einem 1.8 1 Vierzylinder-Ottomotor ein Luftpuls mit einem Hinterdruck von 3 - 5 bar und einer Dauer von z. B. 30 ms während des Kompressionstakts zugeführt. Bei einer Motorblocktemperatur von 20 °C ergab sich vom Start an eine Senkung der HC- Emissionen auf das vom warmen Zustand gewohnte Niveau. Durch die Ermögüchung mageren Betriebs vom Start au (Luftzahl = 1, 1 ) wurden die CO-Emissionen unter das Niveau im „normalen" warmen Betrieb (Luftzahl 1.0) abgesenkt. Weiterhin trat eine Steigerung des Wirkungsgrades über den Wert im warmen Betrieb und eine Verbesserung der Laufruhe auf

Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch das Einblasen des Zusatzgases oder Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff in den Brennraum, im Brennraum eine Schichtladung erzeugbar ist. Der Begriff der Schichtladung wird hier allgemeiner als in der Literatur üblich definiert. Unter "Schichtladung" wird hier verstanden: Eine räumüche Inhomogenität des unverbrannten Gemisches im Brennraum im Bezug entweder auf die chemische Zusammensetzung oder auf die Temperatur kurz vor der Verbrennung. Dabei schüeßt die räumüche Inhomogenität der chemischen Zusammensetzung z.B. sowohl die räumüche Inhomogenität der Stöchiometrie als auch die räumüche Inhomogenität des Abgasanteils der Ladung ein. Die Inhomogenitäten beziehen sich hier jedoch nur auf deutüche. im wesentüchen von außen herbeigeführte Inhomogenitäten und schüeßen nicht kleine Zufallsschwankungen der genannten Parameter ein. Die genannte chemische Zusammensetzung bezieht sich besonders vorteilhaft auf das örtüche Kraftstoff- Luft- Verhältnis.

Derartige Schichtladungen können durch gezielte Einblasung eines bestimmten Gemisches an einen bestimmten Ort im Brennraum und zu einem bestimmten Zeitintervall erzeugt werden. Bekanntüch ist es z.B. sinnvoll, den Ortsbereich nahe der ZündqueUe Kraftstoff-reicher zu gestalten als über die gesamte Ladung gemittelt. (Als ZündqueUe wird hier der Ort oder die Orte im Brennraum bezeichnet, wo die Zündung. z.B. durch einen Funken, gezielt ausgelöst wird). Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, daß a) ein Kraftstoff-reiches Gemisch hinreichend spät vor der Zündung dem zündqueUennahen Bereich direkt zugeführt wird oder b) einem von der ZündqueUe entfernten Bereich hinreichend spät ein Kraftstoff-ärmeres Gemisch zugeführt wird oder c) daß ein entsprechendes Gemisch so hinreichend früh vor der Zündung und an einem geeigneten Ort zugeführt wird, daß eine geeignete Ladungsbewegung bis zur Zündung für das Zustandekommen der Schichtladung sorgt, indem die Ladungsbewegung zwischen Einblaszeitpunkt und Zündzeitpunkt eine geeignete Verschiebung

(und Vermischung) des Gases im Brennraum vornimmt.

Wenn keine erhebüche Ladungsbewegung im Brennraum besteht oder nicht im Sinne von c) ausgenutzt werden soU ist die Einblasung hinreichend spät vor dem Zündzeitpunkt vorzunehmen, um ein Auseinanderfüeßen der Schichtladung zu kontroUieren. Wird die Einblasung z.B. über eine Öffnung in der Nähe der ZündqueUe. oder in diese integriert, vorgenommen, so kann eine Kraftstoff-Anreicherung des zündqueUennahen Bereiches nicht nur durch Einblasen eines Kraftstoff-reichen Gemisches entspr. a) erfolgen, sondern auch durch Einblasen eines Kraftstoff- armen Gemisches entspr. c).

Es wird im Rahmen dieser Erfindung vorgesehen, daß der GroßteU der Ladung und in der Regel auch des Kraftstoffs wie übüch über die Einlaßventüe zugeführt wird (und der Großteil der verbrannten Gase über die Außlaßventile abgeführt wird). Dieses wird im Rahmen dieses Schichtladungskonzeptes, das daher mit mindestens zwei Zuführungsorganen arbeitet, als primäre Zuführung bezeichnet. Diese primäre Zuführung führt bekanntüch häufig bereits zu einer gewissen Schichtung der Ladung im Brennrauum (auch im Bezug auf die Temperatur durch heiße Restgaswolken). Diese ist ggf. bei der Wahl des Einblasungsortes und des Einblasungs-zeitintervaUes (sowie der übrigen Parameter) ebenfalls zu berücksichtigen.

Eine Schichtladung bezügüch der Temperatur kann z.B. durch Einblasen heißen Abgases oder kalter Luft erzeugt werden. Eine Schichtladung bezügüch der Temperatur kann z.B. zur Förderung der Zündfähigkeit des Gemisches ausgenutzt werden, indem der zündquellennahe Bereich aufgeheizt wird, oder es kann die Klopfiieigung reduziert werden, indem einzelne Ladungsteile, die zur Selbstzündung neigen, gezielt gekühlt werden.

Mit einer Schichtladung im übüchen Sinne wird augestrebt, den größten Teü der Ladung Kraftstoff-arm (mager) gestalten zu können und nur an der ZündqueUe ein für die Zündung (und frühe Entflammungsphase) ausreichend fettes Gemisch zur Verfügung zu steUen. Es ist bekannt, daß dadurch die Rohemissionen (insb. CO und NOx) erhebüch reduziert werden können, ähnüch wie auch beim Magermotor mit homogener Ladung [Heywood. S. 37-40]. Es ist auch bekannt, daß dadurch der Wirkungsgrad aus verschiedenen Gründen gesteigert werden kann. insb. im Teülastbereich (durch eine Diesel-ähnüche Regelung der Leistung über die zugeführte Kraftstofimenge). Weiterhin wird bekanntermaßen durch Schichtladungskonzepte eine größere Unabhängigkeit vom verwendeten Kraftstofftyp erreicht werden. Die Anforderungen an die Quaütät des Hauptgemischbüdners (primäres

Zuführungsorgan) sinken im Rahmen dieses Konzeptes im Vergleich zum konventioneUen

Motor: Die Homogenität des (primären) Gemisches ist hier weniger bedeutend als bisher, da

1.) der wichtige zündkerzennahe Bereich getrennt versorgt werden k.ann und 2.) die

Klopfiieigung auf andere Weise unterdrückt wird (siehe unten). Durch die verminderte

Anforderung an die Gemischhomogenität kann der HauptgemischbUdner im Bezug auf andere

Punkte optimiert werden: Insbesondere ist es sinnvoU. die Verzögerungszeit des

Kraftstoflftransports zu verringern, die vielen heutigen Gemischbüdnern anhaftet, um das dynamische Motorverhalten zu verbessern (siehe unten). Dies könnte im FaUe der

Saugrohreinspritzung z.B. dadurch geschehen, daß die Flächen des Kjaftstoffwandfilms im

Saugrohr vermindert werden.

Die Unabhängigkeit von dem Kraftstofftyp kann ein großer Vorteil sein, da eventuell weniger Zusätze (z.B. gegen das Klopfen) verwendet werden können. Die Entfernung dieser gesundheitschädüchen Komponenten aus dem Kraftstoff kann bei den zukünftigen Emissionsgesetzen eine wesentliche Rolle spielen. Dieses steUt daher auch einen wesentüchen Vorteü dar.

Eine Schichtladung bezügüch des Abgasanteüs des unverbrannten Gemisches wirkt sich ähnüch wie eine Schichtladung bezügüch des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses auf die Flammentempertur und -geschwindigkeit und damit insb. auf die NO-BUdung aus. was aUgemeinen Erkenntnissen entspricht. Zwischen diesen beiden Schichtladungsarten besteht jedoch ein erhebücher Unterschied im Bezug auf die CO-BUdung. da diese primär nur vom Kraftstoff-Luft- Verhältnis abhängt. Daher kann durch geeignete Wahl der Schichladungsart z.B. das Verhältnis zwischen NO- und CO-BUdung beeinflußt werden, was im Zusammenhang mit bestimmten Arten der Abgasnachbehandlung (insb. 3Wege-Kat) sinnvoU sein kann.

Bekannte Schichtladungskonzepte sind z.B. der Vorkammermotor oder mittels Direkteinspritzung (DI) von Kraftstoff in den Brennraum. Der Vorkammermotor weist bekanntüch einen zerklüfteten Brennraum auf und hat daher gesteigerte HC-Emissionen. Es bestehen bei der hier vorgesehenen Technik gegenüber der DI folgende Vorteüe: a) der lokal auftretende Lambdawert in der Verbrennung ist wesentüch besser zu kontroUieren als bei DI. da die GemischbUdung nicht erst im Brennraum eintritt; dadurch entfaüen Diesel¬ ähnliche Probleme hoher Emissionen von NO aufgrund von unkontrolüert nahstöchiometrischer Verbrennung oder HC aufgrund von unvoUständiger Verbrennung und Ruß und HC auf Grund von fetter Verbrennung. b) Die Lambdawerte im zündkerzennahen Bereich und im Großteil der Ladung sind präzise unabhängig voneinander einzusteUen. was eine bessere Anpaßbarkeit an verschiedene Betriebspunkte bedeutet. c) Die Schichtladungsentstehung ist hier nicht unbedingt wie bei der DI von bestimmten Strömungsstrukturen im Brennraum abhängig und wird damit weniger vom Betriebspunkt. z.B. steigender Turbulenz bei steigender Drehzahl, beeinflußt.

Es ist ein VorteU dieser Erfindung, diese NachteUe der bisherigen Schichtladungskonzepte vermeiden zu können und bei jedem Betriebspunkt und beim Wechsel desselben eine geeignete Schichtladung zur Verfügung stehen zu können. Vorzugsweise wird daher die Schichtladungserzeugung im Rahmen dieser Erfindung steuerbar oder regelbar ausgeformt, was durch die Einblasung erreicht wird. Dies ist ein besonderer VorteU gegenüber anderen Arten der Schichtladungserzeugung, wie z.B. durch bestimmte Brennraumformen, die nicht oder nicht genügend regelbar und daher nicht ausreichend an den Betriebspunkt anpaßbar. sondern sogar oft stark von diesem abhängig sind.

Schichtladungskonzepte als solche haben weiterhin gewöhnhch den Nachteil, daß der abgemagerte GroßteU der Ladung verlangsamt durchbrennt, ähnüch wie beim Magermotor mit homogener Ladung oder auch bei Abgasrückführung. Dadurch steigen gewöhnlich die HC- Emissionen (unverbrannte Kohlenwasserstoffe), der Wirkungsgrad (thermische) wird beeinträchtigt und der Motor neigt zu zyküscheu Leistungsschwankungen. Es ist auch eine weiterer VorteU dieser Erfindung, diese Probleme von Schichtladungs- und Magerkonzepten zu lösen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Erzeugung von Turbulenz im Brennraum (insb. während der Verbrennung) erreicht.

Schichtladung und Turbulenzerzeugung werden erfindungsgemäß vorzugsweise durch die Einblasung desselben Zusatzgases oder Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff in den Brennraum erzeugt.

Vorzugsweise erfolgt die Einblasung der Gase durch ein und dieselbe Öffnung. Diese Öffnung kann vorteilhaft in der Nähe der Zündkerze sem. Sie kann aber auch in eine speziell zu modifizierende Zündkerze integriert werden, wodurch dieses Verfahren an bestehende Ottomotoren adaptiert werden kann. Die Einblasung von Kraftstoff-enthaltendem Gas zu einem im Prinzip frei wählbaren

Zeitpunkt direkt in die Nähe der ZündqueUe hat gegenüber anderen Schichtladungskonzepten auch den VorteU. daß der fettere Teü an der ZündqueUe auf diesen Ort bis zur Zündung konzentriert bleibt, also im wesentüchen nicht auseinanderläuft, und daher der fettere Teü auf einen minimalen BruchteU der Gesamtladung reduziert werden kann. Das Auseinanderlaufen des fetteren Teüs ist bekanntüch ein Problem vieler anderer Schichtladungskonzepte.

Wenn keine gezielte und räumüch beschränkte -Anleitung des zündkerzennahen Bereiches vorgenommen wird, sondern eine Schichtung der Ladung durch Erzeugung einer Kraftstoff- ärmeren "Wolke" in der übrigen Ladung erzeugt wird, so führt diese "rudimentäre" Schichtladung entsprechend zu einer teüweisen Verbesserung von Emissionen oder Wirkungsgrad. aAls Beispiel sei hier angeführt, daß dei Einblasung von reiner Luft weit entfernt von der Zündkerze eine Schichtladung in diesem Sinne erzeugt und bereits eine Verbesserung des Kaltstartverhaltens üefert. da z.B. durch die erhöhte ZyünderfuUung bei gleichem Kraftstoffaufwaud eine erhöhte Temperatur zum Zündzeitpunkt erreicht wird und dadurch die Zündung erleichtert wird. Dies kami sinnvoll sein, da das Erzeugen einer "rudimentären" Schichtladung i.A. einen kleineren technischen Aufwand bedeutet.

Vorteilhaft erfolgt die Erzeugung der Turbulenz während des Kompressionstaktes, weil während des Kompressioustaktes. also kurz vor der Zündung sichergestellt ist. daß diese zusätzliche Turbulenz bis zur Zündung existent bleibt.

Nach einem weiteren Verfahrensmerkmal erfolgt das Einblasen des Zusatzgases oder Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff in Abhängigkeit von den Anforderungen an die Verbrennungskraftmaschine und ihren Betriebszustaud. D.h.. daß das Einblasen gesteuert erfolgt, und insbesondere in Abhängigkeit von den jeweiügeu Anforderungen an den Motor und au seineu Betriebszustand. d.h. insb. in Abhängigkeit von Last. Drehzahl deren dynamischen Änderungen und der Motortemperatur (Warmlaufphase).

Als azusätzüche Steuermittel stehen mit der Zufuhr des Zusatzgases oder Zusatzgemisches aus Kraftstoff und Gas. insbesondere zur Verfügung: a) Die Wahl des Zeitintervalls bei gepulster Einblasung. Die Länge des ZeitintervaUs bestimmt den Massenstrom des Zusatzgases oder Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff Die zeitüche Lage des IntervaUs bestimmt die Intensität der Turbulenz während der Verbrennung. b) Der Hinterdruck. Dieser hat Einfluß auf die Turbulenz und den Massenstrom. c) Die chemische Zusammensetzung. Hier können insbesondere die Stöchiometrieu des KraftstoflTLuftgemisches für den HauptgemischbUdner und den NebengemischbUdner (Hochdruckinjektion) eingesteht werden. Dieses beeinflußt wesentüch die EinsteUung der Geschwindigkeit der Entflammungs- und Verbrennungsphase. d) Die relativen Gemischmengen. Diese werden über den HauptgemischbUdner und den NebengemischbUdner zugeführt. Über die relativen Gemischmengen wird z.B. die mittlere Stöchiometrie der Ladung beeinflußt. Die Abgaszusammensetzung wird sowohl durch die Stöchiometrie des eingeblasenen Gases als auch durch die Stöchiometrie des Hauptgemischbüdners beeinflußt und wird damit über die relativen Gemischmengen steuerbar. e) Die Gesamtgemischmenge. Diese ergibt sich aus den Mengen die über den HauptgemischbUdner und den NebengemischbUdner zugeführt werden. Dieses beeinflußt die Aufladung und damit Verbrennungstemperatur und Leistung.

In bestimmten Ausformungen kann es auch von VorteU sein, die chemische Zusammensetzung des eingeblasenen Zusatzgases oder Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff zeitlich innerhalb der Einblasungsdauer zu variieren. So kann über die Hochdruckinjektion zu Anfang der Einblasung z.B. fettes Gemisch und später magereres Gemsich zugeführt werden. In anderen Ausformungen kann es auch von Vorteil sein den AbgasanteU zu variieren.

Durch die S.re./erbarkeit der Turbulenz und der Schichtladung von einem Zyklus auf den nächsten kann weiterhin eme Verbesserung des dynamischen Motorverhaltens, d.h. bei schneUem Last-/Drehzahlwechsel. erreicht werden. Eine Beeinträchtigung der motorischen Verbrennung bei schneUem Last-/Drehzahlwechsel resultiert hauptsächlich aus Verschleppungseffekten der Kraftstofrzuführung, da die meisten gegenwärtig eingesetzten HauptgemischbUdner eine gewisse inhärente Trägheit aufweisen (z.B. bei Saugrohreinspritzung aufgrund von Kraftstoffwandfilmeffekten). Zum einen wird diese Problematik dadurch entschärft, daß ein zweites Zuführungsorgan den zündkerzennahen Bereich mit genügend fettem Gemisch versorgt. Das zweite Zuführungsorgan kann, schon wegen seiner wesentüch geringeren Baugröße, ein wesentüch besseres dynamisches Verhalten besitzen als der HauptgemischbUdner (s.u.). Dadurch wird der besonders wichtige frühe Teü der Verbrennung dynamisch anpaßbar an schneUe Last- und Drehzahlwechsel. Zum anderen bestehen Möglichkeiten. Verschleppungseffekte des Kraftstoffgehalts im übrigen GroßteU der Ladung über eines der neuen SteUgüeder z.T. zu kompensieren: Die Verschleppung der

Kraftstoffzuführung bewirkt eine positive oder negative Stöchiometrieänderung während des dynamischen Wechsels. (Durch einen WegfaU der 3 Wege-Katalysatortechnik, die u.U. durch dieses Konzept ermögücht wird, wirkt sich diese ohnehin wesentüch weniger auf die

Emissionen aus. ) Eine Stöchiometrieänderung führt jedoch zunächst zu einer Änderung erstens der Verbrennungsgeschwindigkeit und zweitens der freigesetzten Energie. Ersteres kann durch einen kurzzeitig geänderten Turbulenzgrad wirkungsvoll ausgegüchen werden. (Z.B. erfolgt bei Lasterhöhung eine kurzzeitige Abmagerung des Gemisches, was durch gesteigerte

Turbulenz kompensiert wird). Die genannte Änderung der freigesetzten Energie resultiert a) aus geändertem thermischem Wirkungsgrad aufgrund langsameren Durchbrennens, was hier wie gesagt vermieden werden kann, und b) aus geänderter Zuführ an chemischer Energie.

Letzteres kann im FaUe einer überschießenden chemischen Energie mindestens zum Teil durch einen kurzzeitig reduzierten thermischen Wirkungsgrad kompensiert werden (z.B. über den

Turbulenzgrad). Umgekehrt kann ein kurzzeitiger Mangel an zugeführter chemischer Energie dann (teilweise) durch einen gesteigerten thermischen Wirkungsgrad ausgegüchen werden. wenn dieser vor der dynamischen Änderung nicht maximal eingesteüt war. was bei

TeiUastbedingungen u.U. aus Emissionsgründen der FaU ist. Insgesamt ergibt sich aus dem

Gesagten eine deutüche zu erwartende Verbesserung des dynamischen Verhaltens.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht zur Steuerung der Leistung im TeUlastbereich das Zusatzgemisch aus Gas und Kraftstoff, wohingegend durcli die Hauptgemischzufuhr nur Luft gefördert wird. (Der HauptgemischbUdner dient zur Aufbereitung des KraftstofiTLuftgemisches. das über das normale EinlaßventU zugeführt wird). Dabei entsteht eine Schichtung, bei der nur in der Mitte des Brennraums ein (größerer oder kleinerer) Bereich mit Kraft stofi Luftgemisch vorüegt. der außerhalb bis zur Wand von Luft umschlossen ist. Daher könnte diese Art der Verbrennung als luftummantelte Verbrennung bezeichnet werden.

PotentieU könnte in dieser spezieUen Schichtladungstechnik die gesamte Kraftstoffinenge über das sekundäre Zufuhrungsorgan als KraftstoffTLuftgemisch zugeführt werden, während über die Einlaßventüe nur reine Luft zugeführt wird. Insbesondere unter Bedingungen sehr kleiner Last (z.B. im Leerlauf), also geringem Kraftstoffbedarf. steUt dieses keinen großen technischen Aufwand dar. Dieser Betrieb hätte folgende Vorteüe:

a) Der mittlere Lambawert der Gesamtladung kann wesentüch weiter in den mageren Bereich ausgedehnt werden,;

b) Die Menge des eingeblaseneu (Zusatz)gemisches kann variiert werden um die Leistung zu steuern. Auf diese Weise können die Drosselverluste bei Teülast vermieden werden.

c)Das Krafstoff-Luft- Verhältnis im Kraftstoff-enthaltenden Teü kann z.B. ungefähr stöchiometrisch eingestellt werden, um in der Abgaszusammensetzung ein Gleichgewicht zwischen dem produzierten NO und CO zu erzeugen, so daß eine Abgasreinigung mit dem 3- Wege Katalysator möghch ist

d) Weiterhin kann der Kontakt des Kraftstoffs mit den Brennraumwänden vermieden werden, wenn die Zündung und Verbrennung des eingeblasenen Gemisches genügend schneU erfolgt, was durch die Turbulenzanregung zu erreichen ist. Dadurch können HC-Emissionen vermieden werden, die normalerweise durch Flammenwandlöschung und Absorption von Kraftstoff im Waudölfilm hervorgerufen werden. (Die Flammenwandlöschung, insb. in Spaltenvolumina, steUt besonders unter TeiUastbedingungen, wenn die erreichten Flammentemperaturen relativ gering sind, ein erhebüches Problem dar.) e) Da der wandnahe Bereich bei dieser Ausformung im wesentüchen Luft enthält ist die Wahrscheinüchkeit des Klopfens reduziert, da das Klopfen vorzugsweise im wandnahen Bereich entsteht. Dieses kann zur Erhöhung des Kompressionsverhältnisses genutzt werden und zu einer Steigerung des Wirkungsgrades führen. Auch steht bei dieser Verbrennung zur Ausbüdung von Selbstzündungszentren wenig Zeit zur Verfügung.

Es kann von VorteU sein, daß die nahe der Zündkerze eingeblasene Kraftstoffwolke von Anfang an weitgehend von der Flammenfront eingehüllt wird, um eine zu starke Verdünnung mit der umgebenden reinen Luft zu vermeiden, was sonst ähnhch wie im Dieselmotor zu unvoUständiger Verbrennung und damit zu HC-Emissionen führen könnte. Dazu ist bei Einsetzen der Kraftstoff-Luft-Einblasung kurz vor dem oberen Totpunkt gleichzeitig die Zündung einzuleiten. Zur Senkung der Emissionen wird heute häufig ein nachgeschalteter Katalysator eingesetzt. Dabei ist nach dem heutigen Stand der Technik insbesondere der 3-Wege Katalysator durch seine hervorragenden Konvertierungsgrade für NO, CO und HC von Bedeutung. Voraussetzung für den Betrieb eines solchen 3- Wege Katalysators ist eine bestimmte Abgaszusammensetzung die zunächst nur bei stöchiometrischer Verbrennung auftritt. Bei dem 3-Wege Katalysator ist insbesondere das Verhöltnis von NO zu CO von Bedeutung. Nach dieser Erfindung kann die motorische Verbrennung so gesteuert werden, daß auch ein solcher Katalysator verwendet werden kann.

Nach der FüUung des Brennraums über den HauptgemischbUdner und die Hochdruckgemischinjektion hegen in der Ladung zwei verschiedene Gemische mit steuerbar großen Volumina und steuerbaren Stöchiometrien vor. Auch die Turbulenz kann gesteuert erfolgen. Durch die erhöhte Turbulenz können Gemische mit verschiedensten Stöchiometrien gezündet und abgebrannt werden, solange die Turbulenz hoch genug ist und der Bereich nahe der Zündkerze genügend mit Kraftstoff angereichert ist.

Die Abgaszusammensetzung hängt sowohl von der Stöchiometrie als auch von der Turbulenz und dem Zündzeitpunkt ab. Sie wird daher durch die Steuerung der Turbulenz, des Zündzeitpunktes, der Stöchiometrien und der Volumina über die beiden Zuführungsorgane beeinflußbar. Daneben kann auch der Abgasgehalt der Ladung (auch z.B. über eine Abgasrückführung) beeinflußt werden. Damit kann die Abgaszusammensetzung aktiv gesteuert werden.

Daneben kann die Abgaszusammensetzung auch anders dadurch beeinflußt werden, daß ein TeU der Arbeitszyklen z.B. fetter oder magerer betrieben wird. Es ist z.B. auch denkbar, daß verschiedene Zylinder mit verschiedenen Stöchiometrien betrieben werden. Die Abgaszusammensetzung soU also durch die oben dargesteUten Steuermittel gesteuert werden.

SoUen die NOx-Emissionen weiter reduziert werden, so muß bei Verwendung eines heutigen 3Wege-Katalysators eine genügende Menge CO vom Motor freigesetzt werden. Eine "künstüch" herbeigeführte Erhöhung der CO-Rohemissionen kann z.B. dadurch geschehen, daß ein gewisser Bruchteü der Arbeitszyklen fett(er) betrieben wird, denn die CO-aProduktion ist in erster Linie eine Frage der Stöchiometrie. (Alternativ könnte bei einem Mehrzylindermotor einer der Zylinder fetter betrieben werden. Um zyküsche Leistungsschwankungen aufgrund dieser Stöchiometrieunterschiede zwischen Zyklen bzw. Zylindern zu vermeiden, könnten diese durch Anpassen von Zündzeitpunkt und/oder Turbulenzerzeugung kompensiert werden, so daß jeweüs die gleiche mechanische Arbeit freigesetzt wird.) Insgesamt könnte damit wieder das gewünschte Gleichgewicht zwischen

NO- und CO-Rohemissionen zum Betreiben eines 3Wege-Katalysators erreicht werden, aber auf einem weitaus niedrigeren Niveau im Vergleich mit dem heute übüchen Betrieb bei 1=1.0.

Wegen des niedrigeren Niveaus an Rohemissionen könnte der 3Wege-Katalysator kleiner gebaut werden, wodurch Kosten gesenkt werden könnten. Auf das Erreichen eines CO-NO-

Gleichgewichtes wurde schon oben mehrfach Bezug genommen.

Im Einzelnen gut des weiteren Folgendes:

Zur Turbulenzerzeugung während der Kompressions- oder Verbrennungsphase ist Gas mit einem Hinterdruck von einigen bar nötig. Kraftstoff muß ebenfaUs mit Überdruck zur

Verfügung stehen, um eine Einblasung in der Kompressionsphase zu ermögüchen. Bei

Verwendung von flüssigem Kraftstoff ist zur Erzeugung einer im Endzustand, d.h. kurz vor der Zündung, im wesentüchen dampfförmigen Kraftstoffwolke an der Zündkerze entweder ein separater, zentraler Gemischbüdner zur Versorgung der Einblasung vorzusehen oder ein miniaturisierter, dezentraler Gemischbüdner in der Nähe jeder Zündkerze zu reahsieren.

Letztere Möglichkeit ist u.U. vorteilhaft. weU dabei der zur Turbulenzerzeugung verwendete Gasstrom auch zur Gemischbüdung ausgenutzt werden kann. Im einfachsten FaUe wird einem gasführenden Rohr zum Brennraum. das zur Turbulenzerzeugung durch Einblasung genutzt wird, flüssiger Kraftstoff mittels eines T-Stückes zugeführt. Die Öffnung zum Brennraum kann in einer modifizierten Zündkerze integriert sein. Der flüssige Kraftstoffstrom wird ähnüch wie im herkömmüchen Vergaser durch den Gasstrom im T-Stück "mitgerissen^*1, zerstäubt, büdet einen Wandfilm im gasführenden Rohr und verdampft mindestens teüweise etwas weiter stromabwärts. Weitere Zerstäubung. Verdampfung und Vermischung mit dem Gas wird durch die Freistrahlexpansion in den Brennraum erreicht: Insbesondere bei Verwendung eines ÜberschaUstrahls treten in den Randbereichen der Expansion hohe Relativgeschwindigkeiten auf. die die Gemischbildung fördern. Um die Eigenschaften dieses sehr einfachen dezentralen Gemischbüdners weiter zu verbessern, ist der Zusammenführung von Gas und flüssigem Kraftstoff weitere Kennzeichen eines einfachen Vergasers [Literatur: Heywood. J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw- HiU, 1988. S. 282ff] zu verleihen. Alternativ kommen auch andere Arten der Gemischbüdungsförderung in Frage, wie zB. die elektrische Heizung der entsprechenden

BauteUe. Magnetventile steuern die Pulslängen von Gasstrom und Kraftstofϊzuführung.

Wie bereits erwähnt kann Luft als eingeblasenes Gas sowohl für die Turbulenzerzeugung als auch für die Schichtladung verwendet werden. aAltemativ ist jedoch auch die Verwendung von Abgas mögüch, insbesondere .zur Turbulenzerzeugung. Wenn Abgas ebenfaUs .zum Transport des aKraftstoffs in den Brennraum verwendet wird, ist zu beachten, daß dadurch der Abgasgehah an der Zündkerze zum Zündzeitpunkt ansteigen kann wenn nicht eine starke Ladungsbewegung zum rechtzeitigen Abtransport ausgenutzt wird (s.o.). was sich im aUgemeinen negativ auf die Zündfahigkeit des Gemisches auswirkt.

Im Folgenden wird, als Beispiel, eine der vielen mögüchen Reaherungen des Verfahrens an einer Vorrichtung beschrieben. Wesenthche Bestandteüe der Vorrichtung sind ein Brennraum der über ein Einlaßventü mit Gemisch versorgt wird und die Anordnung für die Hochdruckgemischinjektiou. Der Brennraum und der HauptgemischbUdner müssen nicht auf die Erzeugung einer bestimmten Ladungsbewegung ausgelegt sein. Es kann sogar von VorteU sein die Ladungsbewegung über die Hauptgemischzufuhr zu rninimieren.

Die Hochdruckgemischinjektion dient zur Aufbereitung und Zufuhr des Hochdruckgemisches zum Brennraum. Sie besteht z.B. aus folgenden TeUen: 1.) Einen Vorratsbehälter für das Hochdruckgemisch

2.) Einen von der KurbelweUe angetriebenen Kompressor, der den Vorratsbehälter mit Luft versorgt

3.) Ein Kraft stoffeinspritzventü. das den Vorratsbehälter mit Kraftstoff versorgt. 4.) Ein Ventü zwischen dem Kompressor und dem Vorratsbehälter. das bei einem bestimmten Druck des komprimierten Gasgemisches öfihet und Luft in den Vorratsbehälter einläßt. Dieser .Druckpunkt" kann z.B. elektronisch gesteuert sein. 5.) Ein VentU au jedem Zylinder, über das dem Brennraum das Hochdruckgemisch zugeführt wird

6.) ehe Elektronik für den Betrieb des Motors, die die Steuerung der Abläufe vornimmt. Die im folgenden Text genannten Zahlen beziehen sich auf die Nummern der obigen Liste. Der Vorratsbehälter (1) wird über das Ventil (3) mit flüssigem Kraftstoff versorgt.

Zugleich wird der Vorratsbehälter über den Kompressor (2) mit Luft versorgt. Die

Aufbereitung des Kraftstoft Luftgemisches erfolgt in dem Vorratsbehälter. Von dem

Vorratsbehälter führt jeweüs eine Rohrleitungen zu den einzelnen Zylindern. Am Ende der

Rohrleitung direkt am Brennraum befindet das VentU (5) über das das Hochdruckgemisch dem

Brennraum zugeführt wird. Dieses VentU soU direkt am Brennraum so angebracht werden, daß keine HC-bUdenden Nischen im Brennraum sind.

Der Kompressor (2) zur BereitsteUung des Gas oder Gas- Kraftstoff-Gemisch benötigt eine erhebüche Leistung, insbesondere wenn ein großer Teü des Gemisches über die Hochdruckinjektion zugeführt werden soU. In diesem FaUe ist der Kompressor vorzugsweise direkt durch die mechanische Arbeit des Motors (gekoppelt über die KurbelweUe) anzutreiben.

Der Betrieb des Motors erfolgt mit dieser Vorrichtung folgendermaßen. Um eine bestimmte Stöchiometrie im Vorratsbehälter ( 1 ) zu erzeugen wird das Kraftstoffeinspritzventil (3) über die Elektronik (6) für unterschiedüche ZeitintervaUe geöffnet um die Menge des Kraftstoffs zu kontroUieren. Die Stöchiometrie der primären Gemischzufuhr und die Menge des Gemisches werden durch den HauptgemischbUdner gesteuert. Die Hochdruckinjektiou erfolgt dann z.B in einem bestimmten ZeitintervaU während des Kompressionstaktes über das VentU (5). Dabei steuert die Dauer der VentUöönung die Menge des zugeführten Hochdruckgemisches. Durch die Wahl der Lage des ÖflhungszeitintervaUs wird die Turbulenz im Brennraum gesteuert. Durch die Wahl des Druckpunktes des Ventüs (4) zwischen Kompressor und Vorratsbehälter kann der Druck des Hochdruckgemisches gesteuert werden. Der Druck im Vorratsbehälter beeinflußt das turbulente Strömungsfeld im Brennraum. Daher kann auch die Intensität der Turbulenz auch gesteuert werden. Die Wahl der Größe des Durchmesser des Ventüs (5) zwischen Hochdruckbehälter und Brennraum hat auch Einfluß auf das turbulente Strömungsfeld im Brennraum, insbesondere auf die Größe der Wirbel. Damit wird ebenfaUs die Intensität der Turbulenz im Brennraum beeinflußt.

Es ist mögüch, die Energie des heißen (Ab-) Gases aus dem Zylinder, das nach der Verbrennung entnommen wird, unter hohem Druck zum Pumpen von Kraftstoff-Luft-Gemisch auszunutzen. Diese Verwendung von (Ab-) Gas wäre vorteilhaft, da auf diese Weise ein Kompressor zur BereitsteUung eines genügenden Gashinterdrucks eingespart werden könnte: Abgas mit hohem Druck (z.B. 10 bar) kann dem Motor während der Expansionsphase nach weitgehend abgeschlossener Verbrennung entnommen werden. z.B. über eine der Öffnungen, die zur Einblasung verwendet werden. Dabei wird dem Zyünder während der Expansionsphase

Energie entzogen, so daß die geleistete mechanische Arbeit sinkt. Dies kann tolerabel oder sogar erwünscht sein, insb. beim Kaltstart und in der Warmlaufphase: Erfahrungsgemäß zeigt ein modifizierter Viertakt-Motor schon aufgrund von Turbulenzerhöhung eine erhebüche

Wirkungsgradsteigerung, so daß u.U. mehr mechanische Arbeit freigesetzt würde, als benötigt wird. Insbesondere beim Einsatz dieser Technik als Starthilfe ist daher die Verwendung von

Abgas unter hohem Druck zur Einblasung vorteilhaft.

Folgende Reahsierungen sind bei (Viertakt-) Mehrzylindermotoren üi Betracht zu ziehen. Im Expansionstakt (z. B. 60 - 90° KW nach ZOT) wird einem Zylinder Gas unter hohem Druck entnommen, das in einen anderen Zyünder. der sich gerade im Kompressionstakt befindet, eingeblasen wird. Auf diese Weise würde die Einblasung beim Viertakt- Vierzylinder- Motor in einer einfachen Form dadurch reaüsiert sein, daß jeweüs ein Magnetventü eine Rohrleitung zwischen zwei Zylindern öffnet, die sich gerade im Expansionstakt und Kompressionstakt befinden. (Beim Sechszylinder- Viertaktmotor ist eine analoge Reaüsierung auf Basis des 120°- Versatzes zwischen den Zylindern durch geeignete Wahl der Ansteuerzeiteu u.U. mögfich. ) Weitere Ventüe können auch hier zum zeitüch definierten Einleiten von Kraftstoffdampf, durch dieselbe oder eine andere Öffnung dienen. Der Kraftstoffdampf wird dabei unter entsprechend hohem Druck von z.B. einem dezentralen GemischbUdner zur Verfügung gesteUt. Es ist sinnvoU, diese Konfiguration durch einen Druckspeicher zu ergänzen, der die aus den Zylindern entnommenen Gase unter hohem Druck zwischenspeichert, bevor sie wieder eingeblasen werden. Dadurch würden a) die Zeitpunkte für Zu- und Abführung des Gases zum/vom Zylinder unabhängig voneinander eingesteUt werden können, b) das Abkühlen des abgeführten Gases besser gewährleistet werden (um frühzeitige Zündungen während der Kompressionsphase zu vermeiden), c) zyküsche Schwankungen vermieden werden, die sonst dadurch entstehen könnten, daß die Gaseinblasung vom jeweiligen Verbrennungsablauf in einem anderen Zyünder abhängt, und d) Verfügbarkeit von Gas unter hohem Druck vom ersten Zyklus an gewährleistet. Entsprechend zwischen den Zylindern und dem Druckspeicher angebrachte Magnetventüe werden jeweüs im Kompressions- und Expansionstakt geöffnet, um die Ab- und Zuführung der Gase zu steuern. Das Einsparen eines Kompressors läßt sich in analoger Weise auch erreichen, indem dem Zyünder in der späten Kompressionsphase Kraftstoff-Luft-Gemisch unter hohem Druck entzogen wird, das dann in der früheren Kompressionsphase (oder auch späteren Einlaßphase beim Viertaktmotor) zugeführt wird. (Dies hat gegenüber der Verwendung von Abgas zum

Einblasen den Vorteil, daß der AbgasanteU an der Zündkerze nicht erhöht wird, so daß auch die Turbulenzerzeugung gefahrlos über eine modifizierte Zündkerze erfolgen kann.) Auch durch den Vorgang des Abführens von Gas aus dem Brennraum wird dort die Turbulenz gesteigert. Auch eine Konfiguration ohne einen Druckspeicher (s.o.), ist bei dieser Auslegung u.U. mögüch: Z.B. kann beim Sechszylinder- Viertaktmotor der 120°- Versatz im Arbeitsspiel der Zyünder als Zeitunterschied zwischen Zuführung in früher Kompressionsphase und

Abführung in später Kompressionsphase ausgenutzt werden. (Offenbar wird die freie

Wählbarkeit des Einblaszeitpunktes durch diese Ausformungen eingeschränkt. Es ist dabei aber zu beachten, daß ein spätes Einblasen in der Kompressionsphase in der Regel sinnvoU ist, damit die Turbulenz bis zur Verbrennung nicht zu stark abgeklungen ist. Die Zeitkonstante des

Abklingens der Turbulenz hängt dabei mit dem typischen Durchmesser der größten angeregten

Wirbel zusammen, da die Wirbel im aügemeinen kaskadenartig zerfaUen. Deshalb kann es sinnvoU sein, gezielt große Wirbel, d.h. im ExtremfaU koUektive Ladungsbewegungen. anzuregen. Die Größe der Wirbel läßt sich z.B. durch die Größe der Einblasungsöf ung erhöhen.) Zeichnungen zu den im Vorhergehenden genannten Ausformungen sind in der nationalen Anmeldung P195 14 500 enthalten, auf die Prioritätsanspruch erhoben wird.

Ein besonderes Problem steüt heute das schneUe Aufheizen des Katalysators beim Kaltstart dar. Dazu könnte im Rahmen dieses Konzeptes die beim Kaltstart und der Warmlaufphase freigesetzte Mehrarbeit des Motors aufgrund eines erhebüch verbesserten Wirkungsgrads (s.o.). bzw. das wesentüch höhere Zylinderdruckniveau im Expansionstakt, ausgenutzt werden. Die freiwerdende mechanische Mehrarbeit des Motors könnte zum einen elektrisch (z. B. durch umgekehrtes Betreiben des Anlassermotors) dem Katalysator zugeführt werden. Zum anderen wäre die Aufheiazung des Katalysators auch durch heißes Abgas denkbar, das wie oben bereits beschrieben während des Expansionstaktes den Zylindern entnommen wird. Diese Maßnahme könnte mit der oben beschriebenen Entnahme von heißem Abgas gekoppelt durchgeführt werden. Dies hieße z. B., daß ein Teü des Gases zum o.g. Druckspeicher und ein anderer TeU zum Katalysator geleitet würde, oder daß das Gas über den Katalysator zum Druckspeicher geleitet würde.

FundsteUen: [Heywood], Heywood. J.B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, 1988.

Claims

Ansprüche

1.) Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades und des Emissionsverhaltens einer Brennkraftmaschine (BKM) dadurch gekennzeichnet, daß durch Einblasen eines Zusatzgases oder eines Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff in den Brennraum oder Herausziehen von Gas aus dem Brennraum eine zusätzliche Turbulenz im Brennraum erzeugt wird.

2.) Verfahren nach aAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses auch während des Kaltstarts oder in der Warmlaufphase der BKM eingesetzt wird und dadurch die Wandfilme im Brennraum beschleunigt abbaubar werden.

3.) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Einblasen des Zusatzgases oder des Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff in Abhängigkeit von den Anforderungen an die BKM und ihrem Betriebszustand gesteuert erfolgt.

4.) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzgas Luft oder Abgas ist.

5.) Verfahren nach Anspruch 1 da durch gekennzeichn et, daß durch das Einblasen des Zusatzgases oder des Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff in den Brennraum auch eine Schichtladung erzeugbar ist.

6.) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Turbulenz während des Kompressionstaktes erfolgt.

7. ) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich¬ n e t, daß zur Steuerung der Leistung im Teülastbereich das Zusatzgemisch aus Gas und Kraftstoff besteht und über den HauptgemischbUdner nur Luft zugeführt wird.

8.) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich¬ net, daß Steuermittel vorgesehen sind um die Abgaszusammensetzung so zu steuern, daß die Abgase durch einen Katalysator gereinigt werden können.

9. ) Verfaliren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Abgaszusammensetzung durch den Betrieb eines Teüs der Arbeitszyklen oder eines Teüs der Zyünder so gesteuert wird, daß das Abgas durch einen aKatalysator gereinigt werden kann.

10. ) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Öffnung zur Einblasung des Zusatzgases oder des Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff in der Nähe der ZündqueUe angebracht oder in der ZündqueUe integriert ist.

11.) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß beim Kaltstart oder in der Waπnlaufphase des Motors die zusätzüch verfügbare Hochdruckarbeit zum schneüen Aufheizen des Katalysators eingesetzt wird.

12. ) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich¬ n e t, daß der Zeitpunkt des Einblasens vor der Zündung als Steuermittel für die Turbulenzintensität variierbar ist.

13.) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- n e t. daß die Einblasdauer als Steuermittel für die Steuerung der Menge des Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff variierbar ist.

14.) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich¬ n e t, daß als Steuermittel für das mittlere Kraftstoff/Luftverhältnis sowohl das Kraftstoff/Luftverhältnis des Zusatzgemisches aus Gas und Kraftstoff als auch das Kraftstoff/Luftverhältnis des über das normale Einlaßventü zugeführten Gemisches variierbar ist.

15.) Verfahren nach \nspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die BKM fremdgezündet ist.