DE3414168A1 - Ein verfahren zur kraftstoffzufuhr und arbeitsweise des ottokreisprozesses fuer niedrigen spezifischen kraftstoffverbrauch und schadstoffarme abgase bei allen lasten - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftstoffzufuhr und Arbeitsweise des Ottokreisprozesses für niedrigen spezi^fischen Kraftstoffverbrauch und schadstoffarme Abgase bei allen Lasten, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Im Zuge der Entwicklung der Pkw-Motoren hat sich der Bedarf nach einer höheren spezifischen Leistung, einer Verbesserung der Verbrennungsmotorentechnik und der Abgasqualität erhoben. In folgendem sind einige mit der Kraftstoffzufuhr und der Arbeitsweise der Ottomotoren zusammenhängende Probleme, welche von dem neuen Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 hauptsächlich gelöst werden:

1. Der spezifische Kraftstoffverbrauch der Ottomotoren ist höher als der des diesels. Sie sind sehr stark drehzahlabhängig und werden bei Teillasten und Stadtverkehr stark verschlechtert. Diese Verschlechterungen sind hauptsächlich auf das niedrige Verdichtungsverhältnis e zwischen €=2 und e=8.5 £"1, 2, 3, 4, 5 J zurückzuführen.

2. Zur Kraftstoffzufuhr über den Vergaser .müssen Druckverluste bis zu 7000 mm Ws in Kauf genommen werden, welche den Füllgrad stark verschlechtern [~\] .

3· Die Kraftstoffzufuhr über den Vergaser ist zu kompliziert, von Luftströmung abhängig, nicht gut quantifizierbar und unterliegt großer Trägheit, welche sich auf die Beschleungung und die Abgasqualität im instationären Zustand niederschlägt.

4. Die Zerstäubungsqualitat hat einen starken Einfluß auf die Verdunstung, Strömung und Verbrennungseigenschaften. Die Verdunstung ist dennoch vom Luftzustand im Saugrohr, von der Saugrohrf orm, von dem Vorhandensein des sogenannten "hot spot oder Igel" zur Verdampfung des Kraftstoffes am Krümmer im Saugrohr oder von der neuerdings angewendeten Vermischung mit den im Saugrohr zurückgeführten Abgasenanteil abhängig ist [ 6, 4, 7» 8» 1_/ · ^s ergibt sich ein Zweiphasengemisch aus Luft und Kraftstoff, dessen Verteilung zu den einzelnen Zylindern bis zu + 20 % Abweichung [λ] zeigt, und welches

auch zu der sogenannten "seggregation", dh. Aufspaltung und ungleichmäßige Verteilung von leichter und schwerer siedenden Komponenten, führt .

5. Die Kraftstoffzufuhr in Einspritzmotoren, trotz

besserer Dosierung des Kraftstoffes zu den einzelnen Zylindern, ist dennoch träge, erfordert höhere Benzinqualität, zeigt keine Verbesserung in der Abgasqualität und kann keine homogene Gemischbildung gewährleisten. Dieses System ist störanfälliger, zeigt größeren Verschleiß, erfordert zu hohe Pumpleistung und ist daher teurer als das Vergasersystem.

6. Das Gemisch hat beim Eintritt in den Zylinder eine Geschwindigkeit bis zu 70 m/s. Es ist daher anzunehmen, daß ein großer Teil des noch in Tropfenform vorhandenen Kraftstoffes je nach Strömungsverhältnis an die Wände des Zylinders oder des Kolbenbodens geschleudert wird und daher eine unhomogene Phasenverteilung verursacht, welche auf die Zündbereitschaft, die Flammengeschwindigkeit und die Abgasqualität insbesondere des NO-gehalts in den Abgasen einen verschlechternden Einfluß hat /Ί , 9 7 .

7. Durch die Tropfenstöße an die oberen Teile der Wände beim Eintritt und der darauf folgenden Kühlung und zusätzlich durch die hohe Temperatur des Kolbenbodens in Folge schlechter Kühlung und direkter Berührung mit dem Gemisch bei der Verbrennung, stellt sich eine Temperaturverteilung ein, welche die Klopfbereitschaft des Gemisches erhöht, die Oberflächenzündung hervorruft und dem Verdichtungsverhältnis eine obere Grenze setzt L2J-

8o Verbrennung von nicht total verdampften Tropfen begünstigt die Bildung von glühenden Kohlestoffablagerungen, welehe die Frühzündung, die Oberflächenzündung (wildbing)..etc verursacht

9. Der Gehalt an NO-stoffen in den Abgasen sinkt mit abnehmenden Tropfengrößen des Kraftstoffes bei der Verbrennung Es liegt daher nahe, die tropfen vor der Verbrennung total zu verdampfen /Ί , 10J .

10. Das Dieseln, das Stehenbleiben bei eingeschaltetem Anlaßer oder das Anlaßklopfen sind eine Folge der Verdicht-

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ungszündung bei noch nicht eingeschaltetem Motor, insbesondere bei hohen Verdichtungsverhältnissen /~1 ] .

11. Durch den Betrieb von Flüssiggasen, insbesondere zu Folge homogener Gemischbildungen, werden MotorSchonungen, höhere Leistungen und bessere Abgasqualität /j , 10, M J festgestellt.

12. Verbrennungen mit verdampften Benzin ergeben eine Verbesserung der Abgasqualität /.7, 10, 11J .

Es wird ein Verfahren dargestellt, bei welchem das Verdichtungsverhältnis 6 und der Füllgrad des Motors \ trotz Belastungsänderung konstant bleibt, die Drosselklappen und die Querschnittsverengungen in der Saugleitung nicht eingebaut werden, der Vergaser nicht mehr notwendig wird, die in den Abgasen freigelassenen Wärmemengen zum Teil zurückgewonnen und die Leistung, der spezifische Kraftstoffverbrauch und die Abgasqualität gegenüber bekannten Verfahren verbessert wurde.

In dem neuen Verfahren wird der Kraftstoff nach der Kraftstoffpumpe (3) in einem Wärmeaustauscher (8) verdampft. Die dazu notwendige Wärme wird den Abgasen nach dem Austritt aus den Zylindern entzogen. Der Kraftstoffdampf wird über einen Verteiler (13) direkt vor den Einlaßventilen (21) der frisch zuströmenden Luft in der Weise zugeführt, daß, wie in Bild 1 dargestellt, die Ladung aus rotierenden zum Kolbenboden paralellen Schichten besteht. Diese Schichten weisen bei maximaler Last von den Zündkerzen hin bis zud Kolbenboden (Bild 1c und Ig) einen einstellbaren Konzentrationsverlauf des Kraftstoffes auf. Bei Teillasten (Bild \_b und -\_f) wird der Kraftstoff so zugeführt, daß ein Teil dieser Ladung in der Nähe des Kolbenbodens aus frischer Luft besteht und der restliche Teil der Ladung seinen bei maximaler Last erhaltenen Zustand nicht ändert. Nur dieser restliche Teil nimmt an der Verbrennung teil.

Zu diesem neuen Verfahren der Arbeitsweise des Ottokreisprozesses wird ein Kraftstoffzufuhrsystem nach Bild 2 bis 10 gebaut. Der flüssige Kraftstoff nach dem Filter (2) wird

von der Pumpe (3) in einem Verteilrohr (46) dem Wärmeaustauscher (8) zugeführt. Durch Schlitze oder Löcher im Verteilrohr (46) wird der Kraftstoff in einem dünnen Fallfilm an die Verdampfungsoberfläche (45) verteilt. Zunächst findet eine Fraktionierung und am Ende eine totale Verdampfung des Kraftstoffes statt. Je nach Kraftstoff stellen sich Druck und Temperatur (zB. bei Benzin ca 230 C und 2 bar) im Verdampfungsraum ein. Beim Öffnen der Dosierblenden (12) wird der Kraftstoffdampf aus dem Verteiler (13) zum Mischraum

(21) ausströmen, wo er sich mit der frischen Saugluft (26) direkt vor dem Einlaßventil (22, 23) vermischt und in den Zylinder (24, 25) einströmt» Durch den tangentialen Eintritt des Gemisches (Bild 9 und 10) und die sogeformte Öffnung und Ventil des Einlaßventils wird das Gemisch beim Eintritt in den Verbrennungsraum (24) in Drehbewegung versetzt. Der weitere Verlauf ist wie in normalen Verbrennungsmotoren üblich.

Die Dosierung des Kraftstoffdampfes wird so eingestellt, daß sich ein Luftverhältnis "λ von 1 ergibt (vergl. S. 8)„ Diese Dosierung erfolgt nach dem Prinzip des kritischen Durchflußesdes Dampfes in den Dosierblenden (12), woraus die Größe der Blendenöffnung (Bild 7, 8 und 11) zu bestimmen ist Da der Kraftstoff in dampfförmigem Zustand vorliegt, wird die Dosierung zu den einzelnen Zylindern wesentlich genauer und einfacher zu gewährleisten sein als bei den üblichen Flüssigkeitsdosierungen, da der zuströmende Dampf das bis zu 500-Fache Volumen des flüssigen Kraftstoffes besitzt.

Die oben beschriebene Arbeitsweise ist bei maximaler Last der Fall (Bild 1_C , 1^). Bei Teillastbetrieb des Motors (Bild ^t₁ , If) bei Leerlauf (Bild 1_fl , 1_fl) oder beim Anfahren wird der Kraftstoff erst im letzten Teil des Saugvorgangs züge führt. Somit besteht der Teil in der Nahe der Zündkerze , welcher als arbeitender Teil bezeichnet wird, aus dem gewünschten Gemisch, dessen Luftverhältnis dem in Bild 11 dargestellten Verlauf entspricht. Der restliche Teil bis zum Kolbenboden besteht aus frischer Luft. Dieser Teil wird als nichtarbeitender Teil bezeichnet. Die Größe des arbeitenden Teils läßt sich je nach der erforderlichen Last des

Motors (Bild 1) in dem Maße einstellen, daß die Drehzahl des Motors im günstigen Betriebspunkt liegt.

Dem Motor wird die Ladung so zugeführt, daß sich eine Schichtung der Ladung nach der Zufuhr einstellt. Auch im Laufe des Verdichtungshubes und des nachfolgenden Dehnungshubes bleibt diese Schichtung erhalten (vergl. S. 13 und Bild 1). Es ist zu vermerken, daß hier mit der Schichtung "eine Zufuhr der Ladung in einer Ebene paralell zum Kolbenboden gemeint ist". Mit der Bewegung des Kolbens wird das frei entstandene Volumen immer mit der neuen Schicht gefüllt Die Drehbewegung ist insofern erforderlich, damit die hohe kinetische Energie der eintretenden Schicht keine Verwirbelung dh. Vermischung mit den vorhandenen Schichten verursacht. In der LiteraturL5,12t14j wird mit der Schichtung eine im geteilten Brennraum zusätzliche Einspritzung von Kraftstoff im vorderen Brennraum beschrieben, daß das Gemisch im vorderen Brennraum ein Luftverhältnis kleiner als in der übrigen Ladung besitzt. Dieses Verfahren wird auch "step ignition" genannt L 1 J .

In diesem neuen Verfahren ist zu erkennen, daß, obwohl sich die Motorleistung ändert, das Verdichtungsverhältnis konstant gehalten wird. Jedoch, wie es bei den Dieselmotoren der Pail ist, ändert sich die Leistung allein durch Änderung des arbeitenden Teils der zugeführten Ladung, dh„ durch 'Anderung der Kraftstoffzufuhr. Dieser arbeitende Teil wird bei Leerlauf, wie in Bild 1_σ, 1_e und Kurve 0 in Bild 11 dargestellt, so minimalisiert, daß es gerade ausreicht, um den Motor bei niedrigen Drehzahlen in Betriebsbereitschaft zu halten. Beim Beschleunigen werden die Dosierblenden (12) in dem Maße betätigt, daß die volle Frischluftladung (Bild l_c) beim Durchfließen in den Mischraum (21) vor dem Einlaßventil kontinuirlich mit dem Kraftstoffdampf beladen wird. Dieses Verfahren führt zu einer fast verzögerungsfreien Beschleunigung. Dieser Sachverhalt gilt auch bei Laständerung und beim Abbremsen des Motors.

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In dem Verfahren läßt eich zusätzlich in einfacher Weise das Gemischverhältnis von dem stechiometrisch erforderlichen Gemischverhältnis ( \ = 1) ändern, in dem ein einfaches Drosselorgan an der Kraftstoffzuführleitung vor dem Verteiler

(13) eingebaut wird. Da sich an dieser Stelle der Kraftstoff in einer kontinuierlichen Strömung befindet, bewirkt dieses Drosselorgan eine Änderung des Wirkdruckes vor den Dosierblenden, welche die Durchflußmenge und nicht ihre Verteilung in dem Luftstrom ändert. Hier wird jedoch die Änderung der Durchströmöffnung der Dosierblenden (Bild 5 bis 8) angewendete Der Verteiler (13) besteht aus vier ineinandergeschobenen Rohren (13, 17, 18, 19)» welche die in Bild 8 dar gestellten Öffnungen je Zylinder besitzen. Ihre relative Einstellung zueinander (Bild 7) bestimmt die Größe der Dosierblende (12) _o Teil (17) wird vom Motor (43, 44) angetrieben, und setzt Teil (18) über (36, 35, 38, 39) in Bewegung. Die in Bild 5 und 6 dargestellten Mechanismen erlauben eine betätigbare geringe Verschiebung des Teils (18) in Drehrichtung, sodaß die Blende in Teil (17) teilweise geschloßen bleibt, und wie in Bild 7 dargestellt, verschiebt die Blendenöffnung zu einer späteren Winkel an der Kurbelwelle. Teil (13) bildet das Gehäuse des Verteilers, welches von Teil (19) ummantelt ist. Ineinander bilden sie eine schlitzförmige Blende, deren Breite sich durch geringe Drehung des Teils (19) verändern läßt· Diese Bewegung wird von der Drehzahlregulierung vorgenommen. Die aus den Teilen (13) und (19) erhatene schlitzförmige Blende ist ein Differenzierglied der Blende in Teil (17). Zusammen bilden sie die Kurven (2, 5, 8) in Bild 11 und im Vergleich mit den Einlaßventilquerschnitt /15/ ergibt sich ein Luftverhältnis A ³^ 1 für die gesamte Ladung bei verschiedener Drehzahl.

Durch Änderung der Blendenform (17) können die in Bild 11 gezeichneten Kurven (2, 5, 8 oder 8) erhalten, welche einen Luftverhältnis \ ^ 1 darstellt. In der Nähe der Zündkerze (KW-Winkel von 120°- 180*) ist /\ <1 und im Rest der Ladung bis zum Kolben (KW-Winkel von θ" - 120) ein mageres Gemisch

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von A >1. Die betätigbare Blende (18) bewirkt, daß die Blende (17) bzw. die Dosierblende (12) zum Beginn geschlossen bleibt, und ergibt somit die Kurven (0, 1, 3, 4, 6 und 7), bei welchen die Ladung vom Kolbenboden ausgehend aus 1. dem sogenannten aus reiner Luft

bestehenden nicht arbeitenden Teil, 2. mehreren bis 120°KW-Winkeln entsprechenden Schichten aus magerem Gemisch und

3. mehreren den KW-Winkeln 120°bis

180 entsprechenden Schichten aus fettem Gemisch,

zusammengesetzt ist. Die Schichten in 2 und 3 bilden den sogenannten arbeitenden Teil. Bei Leerlauf, mit Bild 1_cund 1_C und Kurve 0 in Bild 11 dargestellt, besteht der arbeitende Teil nur aus einem fetten Gemisch, obwohl die Blenden (13) und (19) ihre kleinsten Öffnungen haben und der Kraftstoffverbrauch am geringsten ist.

Zur Druckregelung im Verdampfungsraum des Wärmeaustauschers (8) und im Verteiler (13) sind Maßnahmen vorgesehen, damit der Dampfdruck bei allen Lasten konstant bleibt. Beim Anstieg des Druckes über seinen Sollwert setzen sich Gegenmaßnahmen in Bewegung, in welchen sich das Rückflußventil (5), das Bypassventil (14) zum Kondensationsrohr (15) sowie das Rückflußventil (4) öffnen. Bei höherem Druck im Verdampfungsraum des Wärmeaustauschers (8) als in dem Vorratstank (9) öffnet sich das Kraftstoffdampfzufuhrventil (10). Das den Wärmeaustauscher auskleidende Isolierrohr (47) reduziert die Wärmeaustauschfläche. Bei Abnahme des Druckes unter seinen SoIlwert setzen sich Gegenmaßnahmen in Bewegung, in welchem das auskleidende Isolierrohr (47) die Wärmeaustauschfläche vergrößert und sich das Kraftstoffreserveventil (11) öffnet.

Nachdem das Verfahren zur Kraftstoffzufuhr des Ottokreisprozesses beschrieben ist, ergeben sich bestimmte für die Kraftstoffzufuhr und die Arbeitsweise des Ottokreisprozesses

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kennzeichnende Eigenschaften. Die Kraftstoffzufuhr hat folgende kennzeichnende Eigenschaften:

1. Durch den Filter (2) diffundierter Schmutz oder sehr schwersiedende Komponente wird in geschlossener Zirkulation verlaufen und nicht zur Verbrennung weitergeleitet.

2. Die Temperatur-Druck-Beziehung beim Sieden verringert die erforderliche Ansprechempfindlichkeit des Druckregelsystems (vergl. S. 9) im Wärmeaustauscher.

3· Da die mittlere Abgastemperatur Aufgrund des Arbeitsprinzips nach der Vermischung von arbeitenden und nichtarbeitenden Teilen sich fast linear mit der Last ändert (vergl. 8»2 S. 13), wirdeine Betätigung des auskleidenden Isolierrohres kaum erforderlich. Das Kraftstoffzufuhr system ist dann selbst ausgleichend.

4. Beim Anfahren des kalten Motors wird weniger Kraftstoff verdampfen als dem Wärmeaustauscher zugeführt wird . Der über dem Abflußventil (6) zurückfließende Kraftstoff ist bereits aufgewärmt und wird bei Zufuhr zum Wärmeaustauscher schnell verdampfen, dadurch verringert sich die Trägheit des Systems.

5. Obwohl das Starten kein Anliegen des beschriebenen Verfahrens ist, ist die quantifizierte Zufuhr von Kraftstoffdampf über das System nach dem Schichtungsprinzip sehr vorteilhaft für das weiche Anfahren. Denn die be nötigte Kraftstoffmenge ist geringer, die erzeugte Ab gaswärme nach den ersten Verbrennungen reicht zur Ver dampfung dieser benötigten Kraftstoffmenge aus und beim Anfahren wird ein fettes Gemisch aus Kraftstoffdampf und Luft gewährleistet.

6. Zum Umstellen auf einen anderen Kraftstoff wird nur die Änderung des Teils (17) notwendig.

7. Das Kraftstoffzufuhrsystem ist unempfindlich gegen das Vorhandensein von Gasen.

8. Der Druck im Kraftstoffzufuhrsystem ist wesentlich niedriger als in bekannten Einspritzsystemen.

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Somit hat auch die neue Arbeitsweise des Ottokreisprozesses folgende kennzeichnende Eigenschaften:

1. Der Spülvorgang wird gewährleistet und verläuft ohne Kraftstoffverlust in Richtung Abgasventil. Auch für die Ladung sei es mit Turbolader oder mit Pumpenleistung ist das System vorteilhaft.

2. Die übliche Drosselung am Vergaser durch die Drosselklappe fällt aus. Daher wird geringerer Zufuhrwiderstand und ein dementsprechend höherer Füllgrad mit frischem Gemisch erwartet.

3. Kontrolierte Dosierung des Kraftstoffes zu den einzelnen Zylindern. Die Dosierungsmechanismen sind einfach und genau.

4. Bei Laständerung verläuft die Kraftstoffdosisänderung trägheitslos und erlaubt daher sehr kurze Beschleunigung- und Abbremszeiten, welche, wie in 6.1 beschrieben, nur durch Änderung der Öffnungsdauer der Dosierblende (12) durchgeführt wird.
5ο Die kinetische Energie des aus der Dosierblende (12) kritisch ausströmenden dampfförmigen Kraftstoffes sorgt durch ihren Abbau für eine homogene Verteilung des Kraftstoffes und zwar nur innerhalb des Luftstromes in dem Mischraum (21) vor dem Einlaßventil. 6. Beim Durchströmen durch das Einlaßventil (Bild 1, 9» und 10) wird dem Gemisch eine Bewegung überlagert, die vereinfacht, die Form einer rotierenden Spirale im Zylinder annimmt. Die verbleibende Drehbewegung wird infolge Querschnittserweiterung und Reibung im Zylinder bis zum Ende des Verdichtungshubes abnehmen. Diese Rotationsbewegung geschieht in einer Ebene paralell zum Kolbenboden und führt daher zur Schichtung der Ladung. Zwischen den Schichten ist die relative Geschwindigkeit vernachlässigbar klein. Am Ende des Saughubes sind folgende Verhältnisse festzustellen:

6.1 Die Dosierblende (12) besteht aus einer Blende mit veränderlichem Öffnungsquerschnitt und Öffnungsdauer.

Eine Änderung der Öffnungsgröße der Blende bei gleicher Drehzahl des Motors ändert das Luftverhältnis, zB. von 0.9 auf 1o2 · Die Öffnungsdauer bestimmt die Größe des arbeitenden Anteils vom Zylindervolumen. Eine Erhöhung des arbeitenden Anteils bei gleicher Last erhöht die Drehzahl des Motors und somit die Beschleunigung gleichbedeutend. Dieses Verfahren läßt erkennen, daß der arbeitende Anteil seine minimale Größe bei Leerlauf erreicht, daß bei Teillast ein der Größe der Last ent sprechendes Arbeitsvolumenanteil einnimmt und erst bei maximaler Last das Volumen des arbeitenden Anteils das gesamte Volumen des Zylinders belegt. Es ist zu beachten, daß bei allen diesen Arbeitsvorgängen das Verdichtungsverhältnis als konstant angenommen wird und sich mit der Last nur sehr geringfügig ändert, zB. vonG =10 auf 9.5. Diese geringfügige Änderung in dem Verdichtungsverhältnis kommt nur aufgrund Änderung der Trag heit der verschiedenen Komponenten des Systems (zB, der Luftströmung, der Abgasströmung, Spülung, Kolbengeschwindigkeit...etc) in Abhängikeit von der Drehzahl des Motors zustande.

6.2 Der Stoffaustausch zwischen den mit Kraftstoff beladenen Schichten und den Schichten aus frischer Luft wird nur infolge Molekularer Diffusion stattfinden.

Unter vereinfachten Annahmen zeigt sich, daß die erfolgte Konzentrationsänderung in diesen Schichten bei weitem geringer als 1% ist. Erhöhen sich die Diffusions koeffizienten infolge lokaler Turbulenz zB. um das 100-fache, so wird die Konzentrationsänderung des Kraft stoffes in dieser Schicht infolge der genannten turbulenten Diffusion einige Prozente betragen. Das Luftverhältnis in dieser Schicht nimmt sehr geringfügig ab.

6.3 Gegen Ende der Aufladung wird der Luftmassenstrom vor den Einlaßventilen stark abnehmen und führt daher zu kraftstoffreicherem Gemisch am Ende der Aufladung. Diese Schicht liegt zu oberst und am Ende des Verdichtungshubbes in unmittelbarer Nähe der Zündkerzen (20).

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7. Am Ende der Verdichtung Bind folgende Verhältnisse festzustellen:

7.1 Das Gemisch hat immer einen Konzentrationsgradienten des Kraftstoffdampfes in der Luft und ist immer am fettesten in unmittelbarer Nähe der Zündkerzen, hat eine in Richtung Kolben abnehmende Konzentration innerhalb des arbeitenden Teils, mager am Ende des arbeitenden Teils und gleich Null im restlichen Teil bis zum Kolben.

7.2 Einen von Zündkerzen in Richtung Kolben abfal'-lenden Temperaturgradienten (vergl. 8).

7.3 Zufolge des konstanten Verdichtungsverhältnisses wird ein von der Last des Motors unabhängiger Enddruck erreicht und entspricht (vergl. 2 in S. 3 und Kurve 3, 4, 5 in Bild 3) dem höchsten Enddruck in den bekannten Ottomotoren, welcher nur bei Vollast erreicht wird ii6, 177 .

7.4 Die Länge des Flammenweges ist von der Last ab hängig, im Leerlauf am Kürzesten, nimmt mit zunehmender Last zu und erreicht erst bei maximaler Last ihre maximale Größe, welche der Größe des Flammenweges in den bekannten Ottomotoren entspricht.

7.5 Die Schichten haben eine Rotationsbewegung um die Achse des Zylinders. Zusätzliche Bewegungen wie induzierte Strömungen durch das Quetschen werden vermieden (vergl. S. 7).

8. Bei der Verbrennung sind folgende Verhältnisse festzustellen:

8.1 Nach auslösen der Zündung schreitet die Flammenfront in Richtung Kolben. Durch die Verbrennung steigt die relative Geschwindigkeit ander Flammenfront·

8.2 Die Gase in der Verbrennungsraum werden in Bezug auf die Flammenfront in zwei Teile geteilt. Hinter der Flammenfront besteht dieser Teil aus den Abgasprodukten, deren Temperatur trotz gleichen Druckes im Verbrennungsraum wesentlich höher als die Temperatur der Gase in dem Teil vor der Flammenfront ist. Über die Turbulenz hinter der Flammenfront wurde in / 18V geschrieben. Am Ende der Verbrennung ist daher die Temperatur der Gase (luft) in

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dem nicht arbeitenden Teil nur aufgrund polytroper Verdichtung gegenüber der Frischlufttemperatur angestiegen und daher ist sie wesentlich niedriger als die Abgas temperatur. Der Kolben bleibt kalt.

8.3 Diese Darstellung der Temperaturverhältnisse in beiden Teilen der Gase in 8.2 gilt auch am Ende des Dehnungshube s.

8.4 Zufolge dem höheren Verdichtungsverhältnis (vergl. 7.3 und 17) dem kürzeren Flammenweg (vergl. 7.4) und dem höheren Druck bei der Verbrennung (Kurve 3 - 5 in Bild 3) bei allen Teillasten und bei Leerlauf ist eine schnellere homogenere Flammenausbreitung und der daraus resultierende höhere Druck am Ende der Verbrennung als bei den bisher bekannten Kreisprozessen zu erwarten

Γΐ6, 17, 19j .

8.5 Diese in 8o4 beschriebenen Bedingungen ergeben eine höhere spezifische Arbeitsleistung und Arbeitsausbeute und demzufolge niedrigere Temperatur der Abgase im arbeitenden Teil /i5_/und somit noch niedrigere Abgastemperatur (vergl. 3 in S. 10).

8.6 Der Kolben kommt bei Leerlauf und bei Teillast während des Dehnungs- und Ausschiebehubes nur mit den kalten nicht arbeitenden Gasen (Luft) in Berührung,, Erst bei maximaler Last besteht der ganze Raum aus einem arbeitenden Gemisch. In diesem Fall kommt der Kolben mit den Abgasen bei der Verbrennung in Berührung_o 9» AmEndedes Ausschiebehubes bestehen die austretenden Gase bei Leerlauf und bei Teillasten aus den Abgasen der Verbrennung und kalter Luft, deren Temperatur geringfügig über der Frischlufttemperatur liegt. Diese Luft, besonders bei niedrigen Teillasten, bei welchen die relative Größe des nicht arbeitenden Teils zunimmt, sorgt für Kühlung der heißen Teile im Verbrennungsraum und Verdünnung und Spülung der Abgase sowie Kühlung der Abgasleitung.

10. Während des Spülvorganges, bei welchem beide Ventile gleichzeitig teilweise offen sind, ist folgen-

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des zu bemerken:

10.1 Der Durchfluß "beim Öffnen der Dosierblenden steigt schneller als der Durchfluß der Einlaßventile, welches an dem unterschiedlichen Verlauf der treibenden Kräfte der beiden Ströme liegt. Diese Eigenschaft wird zum Nutzen der Spülung verwendet, in welcher die Dosier blenden später als die Einlaßventile geöffnet werden, sodaß die Spülung mit frischer Luft stattfindet, und wie beim Dieselkreisprozess ohne die Nachteile der Spülung in den bekannten Ottokreisprozessen.

10o2 Diese Eigenschaft ist nur bei maximaler Last genau anzupassen. Bei Teillast und bei Leerlauf werden die Dosierblenden wesentlich später geöffnet und sind daher für die genaue Anpassung beider Zeitpunkte unempfindlich.

10.3 Daß dieses System gegen Spülung unempfindlich ist, kann in folgendem erklärt werden. Würde die Spülung nicht stattfinden, so bestünden die verbleibenden Gase bei Teillast und bei Leerlauf aus dem nicht arbeitenden Teil, welcher aus reiner Luft besteht und dessen Temperatur niedrig ist. Bei maximaler Last bestehen die verbleibenden Gase bei nicht Spülung aus den bei der Verbrennung entstandenen Gasen. Diese Abgase werden die unterste direkt über dem Kolbenboden vorhandene Schicht bilden. Sie werden sich mit dem frischen Gemisch nicht vermischen und nehmen an der Verbrennung nicht Teil« Ihr Temperatur und Druckverhalten gleicht dem bereits be schriebenen Verhalten des nicht arbeitenden Teils bei Teillast. Obwohl sie einen relativ verschlechternden Einfluß auf den Füllgrad und die Leistungsausbeute gegenüber der ausgeführten Spülung besitzen, sind sie jedoch von dem Füllgrad und der Leistungsausbeute des bekannten Ottokreisprozesses bei guter Spülung nicht verschieden. Dagegen führen schlechte oder nicht durchgeführte Spülungen in den bekannten Ottokreisprozessen zur Vermischung der Abgase mit dem frischen Gemisch. Je nach Strömungsverhältnissen kann diese Vermischung eine

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homogene Mischung oder Strähnen ergeben. Diese Mischung führt daher nicht nur zur starken Verlangsamung der Zündung und der Flammengeschwindigkeit, mit der darauffolgenden Leistungseinbusse und angestiegener Abgastempe ratur, sondern auch auf die Abgasqualität und die BiI dung von Umweltschädlichen Gasen.

11. Die Abgasqualität wird während der Verbrennung und des Dehnungshubes bestimmt. Der Kraftstoff wird zu jedem Zylinder genauer dosiert und homogener verteilt als bei bisher bekannten Systemen, wodurch eine erhebliche Verbesserung der Abgasqualität gegenüber bekannter Systeme zu erwarten ist und ähnelt somit dem vorteilhaften Be- · trieb mit Flüssiggasen (vergl. 11 in S. 4). Bei maximaler Last sind die in Entwiklung befindlichen funkengezündeten Vorkammermotor en /~1 J , bei welchen die Abgasqualität besser als bei anderen bekannten Verfahren ist, diesen Verfahren ähnlich, obwohl in diesem Verfahren der Aufbau einer Vorkammer und somit auch seine nachteiligen Auswirkungen /i4, 19_/ vermieden werden-. Die geringen Luftmengen, die.sich am Ende der Verbrennung mit den Verbrennungsprodukten im arbeitenden Teil zufolge konvektiver Turbulenz hinter der Flammenfront vermischen, tragen zur Umwandlung der nicht verbrannten Gase zB in Kohlendioxyde bei (vergl. 8.2 in, S. 13). Die Anwendung der Stufenverbrennungsverfahren oder ein homogenes Gemisch von konstantem Luftverhältnis kann jedoch der Optimierung überlassen werden und benötigt in diesem Fall keine zusätzlichen Einbauten.

12. Selbst, falls Ablagerungen zufolge der Verbrennung entstehen, werden diese durch Spülung mit der reinen Luft aus dem kalten nicht arbeitenden Teil bei Teillast aus dem Zylinder geschobene Dadurch wird in diesem Verfahren für eine ständige Kühlung und Säuberung des Verbrennungsraumes gesorgt_o

13o Die Abgase werden beim Durchfließen der Abgasleitung vermischt. Bei Teillasten enthalten die Abgase genügend Luft um die nicht verbrannten Gase zB. in Kohlendioxyd

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umzuwandeln, wobei "bei Katlysatorbau die periodische Führung von Luft in den Abgasen erspart wird.

14. Beim Ausschalten des Motors wird die Kraftstoffzufuhr unterbunden, obwohl sich der Motor noch im heißen Zustand dreht und dadurch nur mit reiner Luft gefüllt wird. Hierdurch wird der zusätzliche Verlust an Kraftstoff sowie das sogenannte Nachlaufen oder Dieseln vermieden

15. Der Heizwert des Kraftstoffes bleibt erhalten und wird nicht teilweise zur Verdampfung des Kraftstoffes

selbst benötigt L5J . Bei Methanol zB. macht die Verdampfung sw arme ca. 6% von seinem Heizwert aus.

16. Dieses Verbrennungsverfahren erlaubt eine sehr geringe Änderung beim Umstellen auf andere Kraftstoff-Sorten.

17· Die dargestellten Eigenschaften, wie schnelle Zündbarke it, verkürzter Flammenweg und die optimal herrschenden Temperaturbedingungen erlauben eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses.

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Bilderbeschreibung:

Bild 1 Darstellung der Zufuhr der im Mischraum (21) vorbereiteten Ladung (deren Luftverhältnisverlauf gemäß Bild 11 ist) in 1_a»¹ _e Leerlauf, 1"b,1f Teillast, 1_c,1g Maximallast, 1<i>1h Vollast vor bzw. nach der Verdichtung. Kraftstoff; Frischluft.

Bild 2 Kraftstoffaufbereitungs- und Zufuhrschaltung.

Bild 3 Schnitte im Wärmeaustauscher (8) samt Regelmecnanism.

Bild 4 P-V-Diagram zur Darstellung des Arbeitsprinzips des neuen Kreisprozesses.

Kurve 1 bekannter gedrosselter Ottokreisprozess Kurve 2 bekannter ungedrosselter Ottokreisprozess Kurve 3 neuer Ottokreisprozess im Leerlauf Kurve 4 neuer Ottokreisprozess bei Teillast Kurve 5 neuer Ottokreisprozess bei Volllast

Bild 5 Schnitt durch den Verteiler (13).

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Bild 6 Schnitt durch den Betätungsmechanism im Verteiler (13).

Bild 7 Arbeitsprinzip der Dosierblende (12).

Bild 8 Schnitte durch die Blenden in den Teilen (13,17,18,19).

Bild 9 Schnitt zur Darstellung der Gemischvorbereitung und Zufuhr in den Zylinder.

Bild 10 Daraufsieht auf die Teile von Bild 9ο

Bild 11 Querschnittsverlauf der Dosierblende (12) zur Herstellung des in S. 9 beschriebenen Luftverhältnisverlfiufs des Gemisnhes vor den Zylindern.

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Literaturverzeichnis

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10. Hohenberg, G. Der Verbrennungsverlauf - ein Weg zur Beurteilung des motorischen Prozesses, VDI 6 (1982) H. 103, S 71.

Williams, A. Combustion of sprays of liquid fuels Verlag Eleck London 1976.

11. Abidin, A. Schadstoffarmer Kraftfahrzeug-Antrieb, Diss. D83 Berlin 1974.

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12. Johnson, R.T. and R.K. Rilley Feasibility of Methanol/ Gasolin Blends for Automotive Use, Adv. Ghem. Ser. 166 (1978) 17, S 245.

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15. Bussien, R. Automobiltechnisches Handbuch, 17. Aufl. Tech. Verlag Herbert Cram. Berlin 1953.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   1.)Ein Verfahren zur Kraftstoffzufuhr und Arbeitsweise des Ottokreisprozesses für niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch und schadstoffarme Abgase bei allen Lasten, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) das Verdichtungsverhältnis und der Füllgrad bei allen Lasten nicht verändert werden,

   b) das Medium im Zylinder aus zwei in Rotationsbewegung versetzten Teilen, nämlich ein arbeitender Teil aus Kraftstoffluftgemisch in der Nähe der Zündkerze, und ein den restlichen Raum bis zum Kolbenboden reichender nichtarbeitender Teil, gebildet ist,

   c) die Verbrennung nur im arbeitenden Teil stattfindet, welcher von der Zündkerze hin bis zum nichtarbeitenden Teil einen einstellbaren Luftverhältnisverlauf aufweist,

   d) bei zunehmender Last das Volumen des arbeitenden Teils zunimmt und das Volumen des nichtarbeitenden Teils abnimmt.

   ο Ein Verfahren zur Kraftstoffzufuhr und Arbeitsweise des Ottokreisprozesses nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) der flüssige Kraftstoff in einem von den Abgasen beheizten Wärmeaustauscher (8) verdampft,

   b) der Kraftstoffdampf über einen Verteiler (13) in dem letzten Teil des zum Zylinder zuströmenden Luftanteil vor dem Einlaßventil in der Weise zugeführt, daß der einstellbare Verlauf des Luftverhältnisses in dem arbeitenden Teil gebildet wird,

   c) die Einlaßventile (22, 23) tangential in den Zylindern einmünden.

   3. Ein Verfahren zur Kraftstoffzufuhr und Arbeitsweise des Ottokreisprozesses nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

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   a) im Wärmeaustauscher (8) eine die Wärmeaustauschfläche auskleidende elektrisch betätigbare Isolierfläche (47» 48, 49) zur Änderung der Größe der Wärmeaustauschfläche zwecks Regulierung des Druckes im Wärmeaustauscher vorgesehen ist,

   b) ein Vorratstank (9) und ein Kondensationsrohr (14, 15) als Kraftstoffdampfquelle beziehungsweise -senke zwecks Regulierung des Druckes vor dem Verteiler (13) vorgesehen ist.

   4· Ein Verfahren zur Kraftstoffzufuhr und Arbeitsweise des Ottokreisprozesses nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) der betätigbar und vom Motor angetriebene Verteiler (13; 43, 36, 38, 40, 39) eine dreiteilig formveränderbare Dosierblende (12) je Zylinder besitzt,

   b) die Dosierblende (12) aus den nach ihren Punktionen benannten Teilen, nämlich dem Verzögerer Teil (18) und dessen Antrieb (36, 35, 31, 38, 40, 37, 39), dem Drehzahlanpassenden Teil (19) und dem Kraftstoffkonzentrationsverlauf einstellenden Teil (17) bestehen.