Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Steuern eines Schichtladungsmotors mit
Kraftstoffeinspritzung, und insbesondere bezieht sich die vorliegende
Erfindung auf ein Verfahren zum Steuern eines Motors durch
Einspritzen einer Pilotmenge Kraftstoff durch die Zündkerze und
durch Ferneinstellen des Luft-Kraftstoffverhältnisses, sodaß
es mit dem Betriebszustand zusammenpasst.
Hintergrund der Erfindung
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Fremdzündungsmotoren mit Kraftstoffeinspritzung arbeiten
unter Verwendung von Computersteuerungen, die mittels für das
spezifische Motormodell vorher erzeugten Bit-Abbildungen
gesteuert werden. Die Bit-Abbildungen basieren auf
vordefinierten koordinierten Einstellungsgraden der Steuerparameter, die
im allgemeinen unter Verwendung eines bestimmten
Verbrennungsmotors experimentell bestimmt und dann bei anderen
Motoren des gleichen Modells verwendet werden, um die
verschiedenen Parameter wie Kraftstoffstromrate und Zündeinstellung
einzustellen. Diese vordefinierten Einstellungen sind im
Speicher des Computers des Motorsteuermoduls in einer Bit-
Abbildung enthalten, so daß der Computer, wenn er eine
Eingabe bestimmter Werte empfängt, auf der Basis dieser Bit-
Abbildungen oder Nachschlagtabellen entsprechende
Parametersteuerpositionen erzeugt.
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Im allgemeinen lesen solche Steuerungen die
Luftmengenstromrate, die Drosselstellung und andere Parameter ab und
koordinieren auf der Basis dieser Größen, d. h. des Luftstroms
in den Verbrennungsmotor und der anderen Parameter, die
Zuführung von Kraftstoff. Diese Steuersysteme erzeugen
signifikante Drosselverluste und liefern keine genaue Steuerung des
Luft-Kraftstoffverhältnisses unter verschiedenen Last- und
Leistungsbedarfsbedingungen. In diesen Systemen wird die
Drosselöffnung vom Bediener geändert, wenn eine Änderung der
Leistungsabgabe oder Motordrehzahl erwünscht ist, und die
Kraftstoffzufuhrrate wird dann auf der Basis der neuen
Drosselöffnung und Luftstromrate und den dann aktuellen Last- und
Drehzahlbedingungen eingestellt; im allgemeinen beträgt das
Luft-Kraftstoffverhältnis in diesen Systemen 1/l.
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Das am 19. September 1995 an Beck erteilte US-Patent
5,450,829 beschreibt ein elektronisches Steuersystem für
einen Dieselmotor, worin die verschiedenen Betriebsparameter
der Motoren überwacht und in eine elektronische
Motorsteuereinheit eingespeist werden. Die Motorsteuereinheit bestimmt
dann Pilot-Kraftstoffstromwerte, d. h. die Menge und
Zeitsteuerung, um dadurch den Wirkungsgrad des Betriebs zu
verbessern, indem die geeignete Menge an Pilotkraftstoff zur
Zündung für die dann aktuellen Zylinderwerte, d. h. das Luft-
Kraftstoffverhältnis, die Dichte etc., innerhalb eines
Zylinders bereitgestellt wird. Dieses System nutzt Berechnungen,
um einige der gesteuerten Einstellungen zu bestimmen, und
eine Nachschlagtabelle oder Bit-Abbildungen für andere.
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Das Konzept, bei dem duale Kraftstoffeinspeisungen in
Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung genutzt werden, ist
bekannt, wie z. B. das im am 12. September 1989 erteilten US-
Patent 4,864,989 von Markley dargestellte System. Dieses
Patent offenbart eine Zündkerze mit einem
Kraftstoffeinspritzsystem, um zusätzlichen Kraftstoff direkt in die Zündkerzen
einzuspritzen, so daß der Pilotkraftstoff den
Funkenelektroden benachbart ist und gezündet werden kann, um dadurch ein
innerhalb des Verbrennungszylinders selbst enthaltenes
magereres Hauptkraftstoffgemisch zu zünden.
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Das am 18. September 1984 an Asik et. al. erteilte US-
Patent 4,471,741 beschreibt ein Steuersystem für
Fremdzündungsmotoren, worin die Kraftstoffrate aus verschiedenen
überwachten Parametern und der Drosselventileinstellung gemäß
dem Kraftstoffbedarf oder der Bedarfsänderung gemäß dem
gewünschten Luft-Kraftstoffverhältnis berechnet wird.
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Das am 12. September 1989 an Markley erteilte US-Patent
4,864,989 offenbart einen Schichtladungsmotor, worin durch
eine Zündkerze zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt wird, der
durch die Zündkerze gezündet und dann genutzt werden soll, um
den Hauptkraftstoff zu zünden.
Kurze Beschreibung der vorliegenden Erfindung
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen
Verbrennungsmotor mit Fremdzündung und sauberer Verbrennung zu
schaffen, der über einen weiten Bereich von
Luft-Kraftstoffverhältnissen arbeiten kann.
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Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zum Steuern eines
Schichtladungs-Fremdzündungsmotors mit Kraftstoffeinspritzung für einen Betrieb über
einen weiten Bereich von Drehzahl- und Lastbedingungen zu
schaffen, um einige der wesentlichen Vorteile eines
Dieselmotors wie z. B. eine signifikante Verminderung der während des
Betriebs auftretenden sogenannten "Drosselverluste" zu
erhalten.
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Diese Ziele der vorliegenden Erfindung werden erreicht,
indem die Drossel vom Gaspedal getrennt wird, d. h. das
Gaspedal, das die Leistungsanforderungen bestimmt, wird von der
Drossel gelöst, und die Drossel wird als Funktion des
Betriebszustandes von einem Mikroprozessor elektronisch
gesteuert und genutzt, um eine "genaue Abstimmung" des Luft-
Kraftstoffverhältnisses auf vorher eingerichtete Werte zu
liefern, wie sie im Speicher des Mikroprozessors in Bit-
Abbildungen gespeichert sind.
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Es wird bevorzugt, in Verbindung mit dem elektronischen
Steuersystem eine Kraftstoffeinspritzzündkerze zu verwenden
und das elektronische Steuersystem zu nutzen, um die Haupt-
und Zusatz- oder Pilotkraftstoffeinspritzsysteme sowie die
Zündeinstellung zu steuern, um zu gestatten, daß der Motor
unter sehr mageren Bedingungen läuft, um niedrige Pegel von
Emissionen wie z. B. Stickoxiden, Kohlenwasserstoffen und
Kohlenmonoxid zu erzeugen.
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Allgemein bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein
Computersteuerverfahren zum Steuern eines mit
Kraftstoffeinspritzung und Fremdzündung arbeitenden Verbrennungsmotors,
worin der Motor ein Schichtladungs-Kraftstoffeinspritzsystem
mit einem Hauptkraftstoff einspritzenden
Hauptkraftstoffsystem und einem zusätzlichen Kraftstoff einspritzenden
Zusatzkraftstoffeinspritzsystem nutzt, worin zumindest die
Parameter der die Motordrehzahl, den Luftmengenstrom in den Motor,
das Luft-Kraftstoffverhältnis, den Leistungsbedarf und den
Motorkurbelwellenwinkel umfassenden Gruppe überwacht werden
und die Werte von jedem der Parameter zu diesem Zeitpunkt
wiedergebende Signale ständig an einen Steuercomputer
gesendet werden, wenn dem Steuercomputer eine Änderung des
Leistungsbedarfs mitgeteilt wird, eine Änderung der Rate in der
Kraftstoffzufuhr eingeleitet wird und danach eine
Luftmengenstromrate eingestellt wird, um ein dem Motor zugeführtes
Haupt-Luft-Kraftstoffverhältnis zu erhalten, vorausgesetzt,
die dann aktuelle Luftmengenstromrate liegt bei keinem ihrer
extremen Betriebszustände und die erforderliche Einstellung
des Luftmengenstroms würde einen solchen Betriebszustand
übertreffen, der Steuercomputer mit vorbestimmten Bit-
Abbildungen der Kraftstoffzufuhrrate, Funkenzündung und
Luftmengenstromrate für verschiedene Werte der Betriebsparameter
vorprogrammiert ist und der Steuercomputer den Motor auf der
Basis der vorbestimmten Bit-Abbildungen steuert, und worin
das Zusatzkraftstoffeinspritzsystem den zusätzlichen
Kraftstoff in einer Stellung einspritzt, in der er durch eine
Zündkerze gezündet werden soll, und die Menge und die
Zeitsteuerung einer Zusatzkraftstoffeinspritzung durch den
Computer gesteuert werden, indem die Zeitsteuerung des Beginns
einer Zusatzkraftstoffeinspritzung basierend auf den
überwachten Parametern und der vorbestimmten Bit-Abbildung geändert
wird, um mit dem zusätzlichen Kraftstoff ein magereres Luft-
Kraftstoffgemisch als im Haupt-Luft-Kraftstoffverhältnis zu
erhalten, und die Funkenzündung mit der Menge und dem
Zeitpunkt der Zusatzkraftstoffeinspritzung koordiniert wird, um
den zusätzlichen Kraftstoff zu zünden und dadurch ein durch
das Haupt-Luft-Kraftstoffverhältnis gebildetes
Hauptkraftstoffgemisch zu zünden.
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Das Zusatzkraftstoffeinspritzsystem spritzt den
zusätzlichen Kraftstoff vorzugsweise durch die
Kraftstoffeinspritzzündkerze ein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile gehen aus der
folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hervor, in Verbindung
mit den beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
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Fig. 1 eine schematische Veranschaulichung der
Hauptkomponenten der vorliegenden Erfindung ist, die verwendet
werden, um einen Teil des Steuersystems eines
Kraftstoffeinspritzmotors zu bilden,
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Fig. 2 ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des
Steuersystems der vorliegenden Erfindung ist,
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Fig. 3 ein die Effektivität des vorliegenden Systems
gegenüber einem herkömmlichen System darstellendes Diagramm
der Bremsleistung über dem relativen
Luft-Kraftstoffverhältnis λ ist,
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Fig. 4 ein Diagramm des bremsspezifischen
Kraftstoffverbrauchs über dem relativen Luft-Kraftstoffverhältnis λ
ist, und
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Fig. 5 ein die vorliegende Erfindung mit dem
herkömmlichen System vergleichendes Diagramm des thermischen
Wirkungsgrads über dem relativen Luft-Kraftstoffverhältnis λ ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In Fig. 1 ist schematisch ein Kraftstoff- und
Zündsystem eines mit Kraftstoffeinspritzung und Fremdzündung
arbeitenden Schichtladungs-Verbrennungsmotors dargestellt, der
verschiedene Kraftstoffarten verbrennt. Die Hauptkomponenten
des Kraftstoff- und Zündsystems des Motors sind die bei 12
schematisch veranschaulichte elektronisch gesteuerte Drossel,
der bei 14 schematisch veranschaulichte
Hauptkraftstoffeinspritzer und die Zündkerze 16, die in der bevorzugten
Ausführungsform eine Schichtladungszündkerze ist, in die über einen
Pilotkraftstoffeinspritzer 18 Zusatz- oder Pilotkraftstoff
eingespritzt wird, so daß der eingespritzte Pilotkraftstoff
durch die Elektrode 20 gelangt, deren Lichtbogenbildung
gesteuert wird, wie im folgenden in Bezug auf die Zufuhr von
Pilotkraftstoff zur Zündkerze 16 beschrieben wird.
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Obgleich die Kerze 16 als für eine
Zusatzkraftstoffeinspritzung konstruierte Schichtladungszündkerze
veranschaulicht ist, die die bevorzugte Form der vorliegenden Erfindung
ist, kann die vorliegende Erfindung auch mit einer
herkömmlichen Zündkerze betrieben werden. Der Wirkungsgrad ist nicht
so effektiv, wenn eine herkömmliche Zündkerze verwendet wird,
d. h. das mit einer herkömmlichen Zündkerze erreichbare
maximale Luft-Kraftstoffverhältnis ist niedriger als das mit
einer Schichtladungszündkerze mit Pilotkraftstoffeinspritzung
erreichbare.
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Der Motor wird durch einen Steuermikroprozessor 22
gesteuert, der Daten über eine Vielzahl verschiedener Parameter
einschließlich der Drehzahl 24, des Luftmengenstroms 26, der
Drosselstellung 28, der Kurbelwellenwinkelstellung 30, des
Luft-Kraftstoffverhältnisses 32, der Kühlmitteltemperatur 34
sowie vom Gaspedal wie bei 36 angegeben ein
Leistungsbedarfssignal empfängt, das eine Einstellung der vom Motor zu
liefernden Leistung signalisiert und entweder manuell oder
automatisch erzeugt werden kann.
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Die in den Steuermikroprozessor 22 eingespeisten
verschiedenen Parameter werden genutzt, um eine
Hauptkraftstoffeinspritzrate und Zeitsteuerung abzuleiten, und der
Mikroprozessor 22 sendet über eine Leitung 38 ein Signal an einen
Hauptkraftstoffeinspritzer 14, über eine Leitung 39 ein
Signal an die elektronische Drossel 12 und über die Leitung 40
ein Zündeinstellungs- und Zünddauersignal an die Zündkerze
16, um die Zeiteinstellung (und in einigen Fällen die
Frequenz) der Lichtbogenbildung einzustellen, und stellt z. B.
die Zeit, Frequenz und Dauer der Anwendung des
Hochspannungsbogens ein.
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In dem System, in dem eine Schichtladungszündkerze wie
veranschaulicht genutzt wird, wird über eine Leitung 42 ein
Signal an den Pilotkraftstoffeinspritzer gesendet, um die
Zeitsteuerung und Menge von in die Schichtladungszündkerze 16
eingespritztem Kraftstoff zu bestimmen. Diese Zeitsteuerung
ist mit der Zeitsteuerung von der Leitung 40 korreliert, so
daß der durch den Pilotkraftstoffeinspritzer 18 eingespritzte
Kraftstoff am Bogen ankommt und gezündet wird und danach in
der (nicht dargestellten) Verbrennungskammer das Haupt-Luft-
Kraftstoffgemisch zündet.
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Das Signal auf Leitung 38 bestimmt die Zeitsteuerung und
Dauer der Hauptkraftstoffeinspritzung, so daß die Menge und
der Zeitpunkt, zu dem der Hauptkraftstoffeinspritzer
Kraftstoff in den Zylinder einspritzt, gesteuert werden. Die
Leitung 39 sendet ein Signal an die Drossel 12, um die
Drosselöffnung als Antwort auf die Einstellpunkte des
Luft-Kraftstoffverhältnisses, wie sie in einer Reihe von
Bit-Abbildungen im Mikroprozessor 22 gespeichert sind, elektronisch
einzustellen.
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In Fig. 2 ist ein typischer Steuerbetrieb
veranschaulicht, bei dem wie dargestellt, nachdem das System wie bei
100 angegeben gestartet ist, Eingaben in den
Steuermikroprozessor 22 die oben beschriebenen Eingaben und vorzugsweise
weitere Eingaben wie den Ansaugkrümmerdruck 48 und die
Ansauglufttemperatur 50 einschließen.
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Das Steuersegment 102 empfängt ein
Leistungsbedarfssignal 36 vom Gaspedal (oder "Leistungs"-Hebel für einen
stationären Motor) und die Eingaben von den verschiedenen Sensoren
wie oben beschrieben und ändert die Hauptkraftstoffzufuhr,
d. h. den Kraftstoffeinspritzer 14 wie bei 104 und 106
angegeben, um sowohl die Dauer, d. h. die Menge des eingespritzten
Kraftstoffs wie bei 104 angegeben, als auch die Zeit im
Motorzyklus zu steuern, d. h. die Kurbelwellenwinkelstellung,
bei der der Beginn einer Kraftstoffeinspritzung erfolgt, wie
bei 106 angegeben ist. Diese und andere Einstellungen werden
unter Verwendung von Bit-Abbildungen vorgenommen, welche in
den Steuermikroprozessor 22 vorher programmiert werden und
durch den Kasten 108 in Fig. 2 angegeben sind. Diese Bit-
Abbildungen werden in herkömmlicher Weise unter Verwendung
einer herkömmlichen Technologie aus Motorkalibrierungsläufen
erzeugt, um die gewünschten Einstellungen für einen gegebenen
Satz von Parametern wie bei 102 angegeben über einen vollen
Bereich von Motordrehzahl- und Lastbedingungen zu erhalten.
Die Information von den bei 102 angegebenen Eingaben wird wie
durch die Linie 110 angegeben der Bit-Abb. 108
zugeführt, um die geeignete Position in der Bit-Abbildung für
jeden der verschiedenen Steuerparameter auszuwählen.
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Falls das System ohne Mehrfach-Zündfunken wie bei 112
angegeben betrieben werden soll, wird die Zündeinstellung wie
bei 114 angegeben eingestellt, und wenn eine
Pilotkraftstoffeinspritzung genutzt wird, d. h. wenn die
Schichtladungszündkerze 16 genutzt wird, wird die Zeitsteuerung einer
Pilotkraftstoffeinspritzung wie bei 116 angegeben und ihre Dauer
wie bei 118 angegeben eingestellt und schließlich die Drossel
12 wie bei 120 angegeben eingestellt, um das Luft-
Kraftstoffverhältnis auf den Einstellpunkt einzustellen, wie
durch die Bit-Abb. 108 bestimmt ist. Der Prozeß wird
danach wie bei 122 angegeben wiederholt. In einigen Fällen ist
es wünschenswert, die Zahl von Zündfunken und die Zeit
zwischen Zündfunken wie bei 124 angegeben einzustellen. In den
Fällen, in denen wie bei 126 angegeben mehrere Zündfunken
ausgewählt werden, werden die geeigneten Einstellungen in 124
auf der Basis der Bit-Abbildungen in 108 vorgenommen, um wie
über die Linie 128 angegeben eine weitere Eingabe für die
Zündeinstellung zu liefern.
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Es ist wichtig, daß der Pilotkraftstoff im
Zündfunkenhohlraum der Schichtladungszündkerze zur richtigen Zeit in
Bezug auf die Zündeinstellung, d. h. die Lichtbogenbildung der
Zündkerze wie oben angegeben, eingespritzt wird, so daß der
Zusatz- oder Pilotkraftstoff in Bezug auf den gebildeten
Bogen an der richtigen Stelle ist, um sicherzustellen, daß zur
geeigneten Zeit an der Stelle der Lichtbogenbildung ein
leicht zündbares Luft-Kraftstoffverhältnis vorhanden ist, um
eine Zündung des Pilotkraftstoffs sicherzustellen, und daß
der brennende Zusatzkraftstoff vorwärts in den Zylinder
befördert wird, um den durch den Einspritzer 14 eingespritzten
Hauptkraftstoff zu zünden.
Beispiele
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Mit der vorliegenden Erfindung wurden Tests ausgeführt
und die vorliegende Erfindung mit dem Stand der Technik
verglichen, wobei als Kraftstoffzufuhr Erdgas benutzt und eine
Schichtladungszündkerze verwendet wurden. Die Tests wurden in
einem Einzylinder-Forschungsmotor Ricardo Hydra mit einer
speziell konstruierten Schichtladungszündkerze durchgeführt.
Der Motor ist mit elektronischen Meßwandlern instrumentiert,
deren Signale über eine Datenerfassungstafel in einen
Arbeitsplatzrechner eingespeist werden. Das Datenerfassungssystem
ermöglicht eine gleichzeitige Messung aller
Hauptmotorparameter einschließlich Drehmoment, Drehzahl, Luft- und
Kraftstoffstromraten, Drücke, Temperaturen, Frühzündung und Dauer
der Einspritzung. Zusätzlich zu der bestehenden
Motorsteuerkonsole wurde eine neue Steuereinheit entworfen und
installiert, die dafür ausgelegt ist, das
Pilotkraftstoffeinspritzsystem sowie ein System zur Erzeugung mehrerer Funken zu
steuern. Ein Sauerstoffsensor mit weitem Bereich (ein λ-
Sensor) wurde im Auspuff installiert, um eine weitere
Überprüfung des Luft-Kraftstoffverhältnisses, wie es aus den
Messungen des Kraftstoff- und Luftstroms bestimmt wurde,
vorzusehen. Die Tests wurden sowohl mit dem System mit
Schichtladungszündkerze wie hier beschrieben als auch mit einer
herkömmlichen Zündkerze an einem Motor mit homogener Ladung
durchgeführt. Für die hier dargestellten Testergebnisse wurde
der Motor bei einer Drehzahl von 2500 UpM mit einer weit
offenen Drossel betrieben, und die Kraftstoffstromrate wurde so
eingestellt, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis von einem
stöchiometrischen (λ = 1,0) bis zur Magergrenze einer
Verbrennung variierte. Da es von λ = 1,0 bis λ = 1,4 nur einen sehr
geringen Unterschied zwischen den beiden Systemen gab, sind
nur Daten von λ = 1,4 bis zur Magergrenze einer Verbrennung
dargestellt.
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Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die vorliegende Erfindung
imstande, bei Luft-Kraftstoffverhältnissen zu arbeiten, die
im Vergleich zum herkömmlichen Motor relativ hoch sind. Die
vorliegende Erfindung entwickelte bei λ = 1,7 etwa 4 kW,
während der herkömmliche Motor bei einem solch mageren Gemisch
nicht arbeiten konnte. Sogar bei einem niedrigeren λ, d. h.
1,6, betrug die durch die vorliegende Erfindung erzeugte
Bremsleistung etwa 5,1 kW, wohingegen sie mit der Vorrichtung
nach dem Stand der Technik nur 4,8 kW betrug und aufgrund von
Fehlzündungen schnell abfiel, wenn λ erhöht wurde.
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Das in Fig. 4 aufgetragene Diagramm eines
bremsspezifischen Kraftstoffverbrauchs in Gramm pro kW-Stunde zeigt, daß
mit der vorliegenden Erfindung der spezifische
Kraftstoffverbrauch bei λ oberhalb von 1,4 im Vergleich zu dem des
herkömmlichen Motors merklich reduziert wurde. Es ist zu
erkennen, daß man mit der vorliegenden Erfindung den Motor viel
effizienter als einen beim gleichen Luft-Kraftstoffverhältnis
(z. B. bei λ = 1,6) laufenden Motor laufen lassen kann oder
bei viel magereren Luft-Kraftstoffverhältnissen betreiben
kann, um Abgasemissionspegel weiter zu senken.
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Fig. 5 zeigt deutlich, daß der thermische Wirkungsgrad
der vorliegenden Erfindung signifikant höher ist und über den
gesamten Betriebsbereich von λ, d. h. von λ = 1,4 bis 1,7,
relativ konstant bleibt. Der thermische Wirkungsgrad nahm
tatsächlich zwischen λ = 1,4 und λ = 1,5 zu, war bei λ = 1,4
und λ = 1,6 ungefähr der gleiche und bei λ = 1,7 geringfügig
niedriger, wohingegen mit dem herkömmlichen Motor bei λ
oberhalb von 1,4 der thermische Wirkungsgrad bis etwa λ = 1,6
stetig abfiel und danach sehr schnell abfiel, da der Motor
bei diesen hohen Luft-Kraftstoffverhältnissen betriebsunfähig
wird.
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Nachdem die Erfindung beschrieben wurde, sind dem
Fachmann Abwandlungen offensichtlich, ohne vom Umfang der
Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen
definiert ist.