DE2622320A1

DE2622320A1 - Triebwerk

Info

Publication number: DE2622320A1
Application number: DE19762622320
Authority: DE
Inventors: Yoshimasa Hayashi; Hiroshi Kuroda; Yasuo Nakajima; Tooru Yoshimura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1975-05-22
Filing date: 1976-05-19
Publication date: 1976-12-09
Also published as: GB1537168A; CA1047338A; US4091615A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

H. KlNKELDEY

W. STOCKMAIR

- AuE lCA1.tU.1-q

Nissan Motor Company, Limited κ. Schumann

oh heu mat apL-Frr/a

No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku p. h. jakob

OiPL-ING.

Yokohama City, Japan _{G BEZOLD}

DFl RER NAT- DlPL-OfM.

8 MÜNCHEN 22

MAXI MIUIAN STRASSE 43

Triebwerk

Die Erfindung bezieht sich auf ein Triebwerk.

Eine der wirksamen und auch realisierbaren Maßnahmen gegen die Bildung von Stickoxiden (NO ) beim Betrieb eines Verbrennungsmotors besteht darin, einen Teil der Abgase zur Luft (oder zu einem Luft-Treibstoff-Gemisch) zurückzuführen, die in den Motor eingesaugt werden soll. Die Rückführung von Abgasen verursacht ein Absenken der maximalen Verbrennuncstemperatur im Motor und führt zur Unterdrückung der Bildung von NO ,. Das Maß der Verringerung der Ausbildung von NO im Motor ist beinahe proportional zum Abgasrückführungsgrad, der durch das Volumenverhältnis der zurückgeführten Gase gegenüber der in den Motor eingesaugten Luft definiert ist.

Dementsprechend ist zum starken Unterdrücken der Bildung von NO die Verwendung eines beträchtlich hohen Rückführungsgrades (beispielsweise oberhalb von 10 %) wünschenswert. Es ist allerdings bei herkömmlichen Motoren unmöglich, den Abgasrückführungsgrad so zu steigern, wie man eigentlich möchte, da beim Steigern des Rückführungsgrades der Lauf des Motors zunehmend unstabil wird. Wird die Abgasrückführung an einem herkömmlichen freirdgezundeten Motor mit einem Rückführungsgrad von etwa 10 % oder darüber ausgeführt, dann kann der Motor nicht glatt und mit gutem Ansprechungsvermögen betrieben werden, da eine beachtenswerte Möglichkeit besteht, daß Zündaussetzer bzw. Fehlzündungen vorkommen.. Dementsprechend ist es gegenwärtig eine allgemeine Regel, die Abgasrückführung an handelsüblichen Motoren bei einem Rückführungsgrad von etwa 8 % auszuführen.

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Ss ist allerdings schwierig, die Bildung von NO- nur durch Abgasrückführung allein zufriedenstellen zu unterdrücken, wenn der Rückführungsgrad auf 10 % oder darunter begrenzt ist.

Als Problem unter einem anderen Gesichtspunkt verursacht die Abgasrückführung üblicherweise einen Anstieg des spezifischen Treibstoffverbrauchs, und der Grad dieses Anstiegs erhöht sich, wenn der Rückführungsgrad erhöht wird.

Es ist somit Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verbrennungstriebwerk vorzusehen, das einen Abgasrückführungskrexs zum Rückführen von Abgas bei einem maximalen Rückführungsgrad von 12% oder darüber aufweist, aber stabil und glatt laufen kann, ohne daß eä unter dem Auftreten von Zündaussetzern bzw. Fehlzündungen leidet.

Es ist ferner Zweck der Erfindung, ein Verbrennungstriebwerk vorzusehen, das einen Abgasrückführungskreis aufweist, der zum Rückführen von Abgas bei einem Rückführungsgrad ausgebildet ist, der hoch genug ist, um die Ausbildung von NO beinahe völlig zu unterdrücken, aber keinen wesentlichen Anstieg im spezifischen Treibstoffverbrauch mit sich bringt.

Gemäß der Erfindung wird das Triebwerk gekennzeichnet durch

a) einen Verbrennungsmotor, bei dem jeder Verbrennungsraum mit mindestens zwei Zündkerzen ausgestattet ist, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind,

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b) eine Einrichtung bzw. Zündeinrichtung zum im wesentlichen gleichzeitigen Erregen der mindestens zwei Zündkerzen,

c) eine/ Einrichtung bzw. eine Treibstoffanlage zum Zuführen eines' tiUft-Treibstoff-Gemischs über eine Einlaßleitung an jeden der Verbrennungsräume,

d) eine Rückführleitung, die die Auspuffrohrleitung des Motors mit der Einlaßleitung verbindet, und

e) eine Strömungs-Steuereinrichtung zum derartigen Steuern des

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Strömungsdurchsatzes an Abgas durch die Rückführleitung, daß die maximale Menge zurückgeführten Abgases dann im Bereich von 12 bis 14 Volumenprozent der in jeden Verbrennungsraum eingesaugten Luftmenge liegt, wenn sich der Motor in einem normalen Betriebsbereich befindet.

Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Triebwerk mit einem Verbrennungsmotor, das einen Abgasrückführungskreis aufweist, wobei jeder Verbrennungsraum des Motors mit einer Mehrzahl von Zündkerzen versehen ist.

Der Verbrennungsraum weist vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf, und die Zündkerzen für jeden Verbrennungsraum sind so angeordnet, daß sie mit Abstand zum mittleren Bereich des Verbrennungsraums und vorzugsweise symmetrisch bezüglich eines Punkts im mittleren Bereich in einer zum Querschnitt parallelen Grundrißebene angeordnet sind, so daß die Flammenausbreitung von der entsprechenden Zündkerze aus zum mittleren Bereich hin in einer kurzen Zeit vollendet wird.

Die Strömungs-Steuereinrichtung weist vorzugsweise eine Lavaldüse bzw. eine Düse für eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit und ein Ventilteil auf, das so angeordnet ist, daß es die Querschnittsfläche des engsten Querschnitts der Düse in Abhängigkeit von der Höhe eines Vakuums ändert, das beispielsweise am Ansaugdüsenabschnitt des Vergasers erzeugt wird, und die Lavaldüse ist so entworfen, daß sie eine Schallströmung bildet , wenn die Druckdifferenz zwischen Düseneinlaß und -auslaß 120 mmHg oder mehr· beträgt.

Das Luft-Treibstoff-Gemisch ist so hergestellt, daß es ein Luft-Treibstoff-Verhältnis in der Gegend des stöchiometrischen Verhältnisses aufweist, d.h. im Bereich von 13 bis 16, wenn der Treibstoff Benzin ist.

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Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher dargelegt.

Fig. 1 ist ein schematischer Grundriss eines erfindungsgemäßen Triebwerks.

Fig. 2 ist ein teilweiser Längsschnitt durch den Zylinderkopf des in Fig. 1 dargestellten Motors zur besonderen Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsraums.

Fig, 3 ist ein teilweiser Schnitt durch eine Vorrichtung zum Steuern des Abgasrückführungsgrades, die beim in Fig. 1 dargestellten Triebwerk verwendet wird.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit eines realisierbaren Äbgasrückführungsgrads von der Drehzahl und dem Drehmoment eines Verbrennungsmotors zeigt, wenn die Rückführung von einer üblicherweise verwendeten Steuereinrichtung gesteuert wird.

Fig. 5 ist ein ähnliches Diagramm für einen Fall, in dem die in Fig. 3 dargestellte Steuervorrichtung verwendet wird.

Fig. 6 ist ein veranschaulichendes Diagramm,das die Abhängigkeit zwischen der Zündvoreilung und dem Verbrennungsdruck bei einem herkömmlich entworfenen Verbrennungsraum und einem erfindungsgemäßen Verbrennungsraum zeigt.

Fig. 7 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das die Veränderung des spezifischen Treibstoffverbrauchs hinsichtlich der Änderung des Abgasrückführungsgrades zeigt;, und

Fig. 8 ist ein veranschaulichendes Diagramm, das die Veränderungen bei der Erzeugung von NO und bei dem spezifischenTreibstoffverbrauch in Hinblick auf die Veränderung beimAbgasrückführungsgrad und dem Luft-Treibstoff-Verhältnis eines brennbaren Gemischs zeigt, das von dem rückgeführten Abgas verdünnt wurde.

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Ein erfindungsgemäßes Triebwerk mit Verbrennungsmotor weist gegenüber herkömmlichen Triebwerken mit Verbrennungsmotor im grundsätzlichen Aufbau keinen besonderen Unterschied auf. In Fig. 1 ist ein Vierzylinder-Verbrennungsmotor 10 mit einem Vergaser 12 ausgerüstet, so daß ein Luft-Treibstoff-Gemisch zu den entsprechenden Motorzylindern über eine Einlaßleitung 14, eine Einlaßverrohrung 16 und Einlaß öffnungen 18 zugeführt wird . Die Auspuffrohrleitung des Motors 10 weist Auslaßöffnungen 20, eine Auslaßverrohrung 22, die vorzugsweise so aufgebaut ist, daß sie ebenfalls als Reaktor zum Durchführen der Oxidation von Kohlenmonoxid CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC verwendet werden kann, und ein Auspuffrohr 24 auf. Ein Sekundär-Luftzufuhrkreis 26 mit einem Strömungssteuerventil 28 kann an der Auspuffverrohrung 22 angeschlossen werden, wenn diese als thermaler Reaktor wirkt. Eine Abgasrückführleitung 30 ist derart angeschlossen, daß sie die Auspuffverrohrung 22 entweder mit der Einlaßleitung 14 an einem Abschnitt hinter dem Vergaser 12 oder der Einlaßverrohrung 16 verbindet. Eine Strömungs-Steuereinrichtung 32 ist so angeordnet, daß sie den anteiligen Volumendurchsatz der durch die Leitung 30 rückgeführten Abgase steuert. Die oben beschriebene allgemeine Konstruktion und Anordnung sind bekannt.

Erfindungsgemäß ist in jedem Zylinder des Motors 10 ein Verbrennungsraum 34 eingeschlossen, der mit zwei Zündkerzen 36 ausgestattet ist, die mit einem verhältnismäßig großen Abstand voneinander angeordnet sind, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Anzahl der Zündkerzen 36 kann, falls gewünscht, auf drei oder mehr erhöht werden. Der (nicht dargestellte) Zündkreis für diese Zündkerzen 36 ist- dazu eingerichtet, alle Zündkerzen 36 jeweils desselben Verbrennungsraums 34 praktisch zum gleichen Zeitpunkt Funken erzeugen zu lassen. Diese Zündkerzen 36 sind außerhalb eines zentralen Bereichs des Verbrennungsraums 34 angeordnet. Der Verbrennungsraum 34 ist von verhältnismäßig einfacher Gestalt mit kreisförmigem Querschnitt, wie beispielsweise scheibenförmig, halbkugelig oder Heron -förmig(Heron shape), ϊη einem Grundriss, der quer durch den Motorzylinder oder,

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parallel zu einem Querschnitt durch den Verbrennungsraum gelegt wird, sind die Zündkerzen 36 im wesentlichen, wenn nicht genau, symmetrisch bezüglich entweder der Mittelachse des Verbrennungsraums 34 oder eines Punktes im mittleren Bereich des Verbrennungsraums 34 angeordnet. Ein Einlaßventil (in der Abbildung weggelassen) und ein Auslaßventil 38 sind in der üblichen Weise angeordnet, um die Verbindung zwischen dem Verbrennungsraum 34 und Einlaß- und Auslaßöffnung 18 und 20 zu steuern. Wenn die Auspuffanlage des Motors 10 eine bestimmte Einrichtung wie beispielsweise einen thermalen Reaktor 22 zum Oxidieren von HC und CO aufweist, die im Abgas enthalten sind, dann ist jede Auslaßöffnung 20 für jeden der Motorzylinder vorzugsweise nahe an einer anderen Auslaßöffnung 20 für den danebenliegenden und nächsten Zylinder angeordnet, und diese beiden Auslaßöffnungen 20 vereinigen sich, um bei einem kurzen Abstand von den Auslaßventilen 38 im Zylinderkopf 40 einen einzigen Durchlaß zu bilden. Eine derartige Ausbildung von Auslaßöffnungen 20 ist unter der Bezeichnung " Zwillingsauslaß "(Siamese ports) bekannt und hat den Vorteil eines verringerten Abgastemperaturabfalls, während das Abgas durch die Auslässe 20 hindurchtritt, da die Gesamtoberfläche der Auslaßöffnungen 20 verringert wurde.

Das Vorsehen einer Strömungs-Steuereinrichtung 32 geschieht zu dem Zweck, die Menge des Abgases, das durch die Leitung 30 rückgeführt wird, im wesentlichen proportional zur Luftmenge zu regulieren, die in die Einlaßverrohrung 16 eingesaugt wird. Es ist undurchführbar, den Volumandurchsatz von Luft in der Einlaßleitung 14 direkt zu messen. Dementsprechend ist die Strömungs-Steuereinrichtung 32 derart beschaffen, daß sie auf die Veränderung in der Höhe des Vakuums anspricht, das in einem bestimmten Abschnitt der Einlaßleitung 14 erzeugt wird. (Dieses Vakuum wird als Indikator bzw. Kennwert für das Volumen der Luft benutzt, die in den Motor 10 eingesaugt wird).

Bei einem erfindungsgemäßen Triebxtferk ist die Strömungs-Steuereinrichtung 32 vorzugsweise derart aufgebaut und eingestellt, wie im folgenden im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben ist. Die Abgas-

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rückführleitung 30 durchtritt die, oder ist teilweise umfaßt von der Strömungs-Steuereinrichtung 32 und weist einen venturidüsenartigen Abschnitt 42 auf, der innerhalb der Steuervorrichtung 32 ausgebildet ist. Ein Ventilteil 44 wie beispielsweise ein Nadelventil ist in der Leitung 30 derart angeordnet, daß die Querschnittsfläche der Leitung 30 bei diesem Venturiabschnitt 42 in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilteils 44 geändert werden kann. Die Steuereinrichtung 32 weist eine Vakuumantriebs- oder -betätigungseinrichtung (Membranvorrichtung) 46 auf, die das Ventilteil 44 von der Außenseite der Abgasrückführleitung 30 her stützt und bewegt. Eine flexible Membran 48 der Betätigungseinrichtung 46 hält das Ventilteil 44 und bildet eine Wand der Vakuumkammer 50, die in der Betätigungseinrichtung 46 ausgebildet ist. Ein Vakuumkreis 52 für die Vakuumkammer 50 weist einen Vakuumverstärker 56 auf, der die Höhe des Vakuums, das von einer außerhalb befindlichen vakuumquelle in Abhängigkeit von der Höhe Vakuums, das im Venturiabschnitt 12a des Vergasers erzeugt wird, moduliert. Die Betätigungseinrichtung 46 und das Ventilteil 44 sind derart angeordnet, daß die Querschnittsfläche der Abgasrückführleitung 30 am Venturiabschnitt 42 zusammen mit einer Zunahme in der Höhe des Venturivakuums im Vergaser 12 vergrößert wird. Die Betätigungseinrichtung 46 weist eine Druckfeder 54 auf, die so angeordnet ist, daß sie auf die Membran 48 in zur vakuumbedingten Zugkraft entgegengesetzter Richtung drückt. Da die Höhe des Venturivakuums im Vergaser 12 sehr klein ist, empfängt der Vakuumverstärker 56 (üblicherweise eine Membranvorrichtung) ein Vakuum vom Venturiabschnitt 12a und überträgt ein verstärktes Vakuum an die Vakuumkammer 50.

Bei einem erfindungsgemäßen Triebwerk sind die Abgasrückführleitungen 30 und die Strömungs-Steüereinrichtung 32 derart ausgeführt, daß der Maximalwert des Abgasrückführ-Verhältnisses im Größenbereich von'12 bis 40 % liegt. Dieser Wert braucht allerdings in den meisten Fällen nicht größer zu sein als 25 %. Das Abgas wird Vorzugs-, weise bei einem Rückführungsgrad im Bereich von 12 bis 25 % zurückgeführt, wenn die Betriebsbedingung des Motors 10 in einem überaus

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häufig benutzten Bereich (normaler oder Fahr-Bereich) liegt, der von einem Motordrehzahl-Bereich von zwischen 1 500 und etwa 3 000 U/min im Hinblick auf einen typischen Fahrzeugmotor dargestellt wird. Um einen derartig hohen Rückführungsgrad zu verwirklichen und konstant aufrecht zu erhalten, sind der Venturiabschnitt 42 und das Ventilteil 44 in der Steuereinrichtung 32 derart geformt, daß die Strömung des Abgases in der Abgasrückführungsleitung 30 am engsten Querschnitt der Düsenverengung 42a des Venturiabschnitts die Schallgeschwindigkeit erreicht, wenn die Druckdifferenz in der Leitung 30 zwischen den Abschnitten vor und hinter dem Venturiab- : schnitt 42 zumindest 120 .mmHg beträgt. Dementsprechend kann der Venturiabschnitt 42 auch als Lavaldüse bzw.Schallgeschwindigkeitsdüse betrachtet werden. Wenn die Abgasströirtung durch den Venturiabschnitt oder die Lavaldüse 42 am engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit erreicht, dann wird der Volumendurchsatz von Abgas durch die Düse 42 lediglich von der effektiven Querschnittsfläche des engsten Querschnitts 42 bestimmt. Bei diesem Zustand wird der Volumendurchsatz des zurückgeführten Abgases, weder vom Einlaßvakuum noch vom Abgasdruck ^_β3 Triebwerks beeinträchtigt. Es wird dementsprechend einfach, den Abgasrückführungsgrad genau auf einen vorher bestimmten Wert zu halten, indem die Position des Ventilteils 44 in Abhängigkeit von der Größe des Vakuums im Venturiabschnitt 12a variiert wird.

Der Abgas strom kann am engsten Querschnitt 42a des Venturiabschnitts 42 selbst dann Schallgeschwindigkeit erreichen, wenn dieser nicht eigens für die Funktion einer Lavaldüse geformt ist, wenn die Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß des Venturiabschnitts 42 grosser als etwa 350 mmHg ist. Es ist allerdings die Notwendigkeit einer so großen Druckdifferenz dem Erreichen einer Abgasrückführung mit einem hohen Rückführungsgrad unzuträglich.

Wenn der Abgasdruck vor dem Venturiabschnitt 42 dem Atmosphärendruck nahezu gleich ist, dann kann die Druckdifferenz über den Venturiabschnitt 42 hinweg als Höhe des Ansaugvakuums betrachtet werden. Der Volumendurchsatz an Abgas durch den Venturiabschnitt 42

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wird demnach von der Größe des Ansaugvakuums bestimmt, bis die Geschwindigkeit der Abgasströmung am engsten Querschnitt 42a Schallgeschwindxgkeit erreicht, wenn das Ventilteil 44 in einer bestimmten Lage stationär gehalten wird. Ist der Venturiabschnitt 42 nicht wie eine Lavaldüse geformt und die Abgasströmung erreicht bei einem Ansaugvakuum von -350 mmHg Schallgeschwindigkeit, dann wird der Abgasrückführungsgrad von der Geschwindigkeit und dem Drehmoment des Motors 10 bestimmt, wie von den Kurven R₁ bis R_ im Diagramm der Fig. 4 dargestellt, wo der Rückführungsgrad umso größer ist, je kleiner der Index 1 bis 3 wird. Die Kurve L im Diagramm stellt das Verhältnis zwischen der Drehzahl und dem Drehmoment unter Straßenlastbedingungen dar. Wenn die Stellung des Ventilteils 44, d.h. die effektive Querschnittfläche des Venturiabschnitts 42, derart ist, daß der Rückführungsgrad 25 % erreicht, wenn die Abgasströmung Schallgeschwindxgkeit erreicht, dann kann der Rückführungsgrad von 25 % auf der Kurve R.. im Diagramm von Fig. 4 verwirklicht werden. Diese Kurve R₁ liegt unterhalb der Straßenlastkurve L. Dies bedeutet, daß es unmöglich ist, einen Rückführungsgrad vcn 25 % in einem normalen Betriebsbereich des Motors 10 zu realisieren. Der Rückführungsgrad erreicht 25 %- nur unter bestimmten Betriebsbedingungen, die gekennzeichnet sind von einem hohen Betrag des Ansaugvakuums und einer geringen Leistungsabgabe wie unter Standgas-oder Abbremsbedingungen. Da sich die Bildung von NO nur unter Standgas- und Abbremsbedingungen, nicht aber in einem normalen Betriebsbereich verringert, ist die Unmöglichkeit, den Abgasrückführungsgrad auf einen wünschenswert hohen Wert wie 25 % in einem normalen Betriebsbereich zu steigern, völlig in Mißklang mit der Unterdrückung der Bildung von NO durch die Rückführung von Abgas.

Falls der Venturiabschnitt 42 und das Ventilteil 44 so geformt sind, daß sie aus dem Venturiabschnitt 42 eine Lavaldüse bilden, die es erlaubt, daß der Abgasstrom Schallgeschwindigkeit bei einem Ansaugunterdruck von weniger als 120 mmHg erreicht, dann wird der Abgasrückführungsgrad derart verwirklicht, wie von den Kurven R bis R. im Diagramm der Fig. 5 dargestellt, wobei das Ventil 44 in einer '

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bestimmten Stellung gehalten wird. In diesem Diagramm repräsentiert die Kurve R₁ einen Rückführungsgrad von 25 % und zeigt, daß ein Rückführungsgrad von 25 % in einem normalen Betriebsbereich des Motors 10 verwirklicht ist. Der oben dargestellte Vergleich zwischen den zwei Fällen wurde unter der Annahme durchgeführt, daß die effektive Querschnittsfläche des Venturiabschnitts 42 in beiden Fällen gleich ist. Natürlich ist es möglich, einen hinlänglich hohen Rückführungsgrad wie etwa 25* % in einem normalen Betriebsbereich des Motors 10 selbst dann zu verwirklichen, wenn die Strömung der Abgase im Unterschallbereich bleibt, wenn nur das Steuerventil, das vom Venturiabschnitt 42 gebildet wird, eine hinläng-lieh große effektive Querschnittfläche aufweist. Es wird allerdings der Rückführungsgrad noch weiter gesteigert, wenn der Motor 10 unter verhältnismäßig geringen Lastbedingungen betrieben wird, so daß ein stabiler Betrieb des Motors 10 in niederen Lastbedingungen kaum erwartet werden kann. Es ist nebenbei sehr schwierig, den Abgasrückführungsgrad auf einem vorher festgelegtenWert zu halten, beispiels weise auf 25 %, wenn der Betriebszustand des Motors 10 in einem normalen Bereich -liegt, da die Geschwindigkeit im Venturiabschnitt 42 weitgehend in Abhängigkeit von der Größe des Ansaugunterdrucks variiert. - --. -

Der Vergaser 12 ist derart eingestellt, daß er ein Luft-Treibstoff-Gemisch mit einem Luft-Treibstoff-Verhältnis etwa von der Größe eines stöchiometrischen Verhältnisses liefert. Bezüglich Benzin als Treibstoff ist das Luft-Treibstoff-Verhältnis numerisch auf den Bereich von 13 bis 16 festgelegt.

Es ist zulässig, anstelle des Vergasers 12 eine Treibstoff-Einspritzanlage zu verwenden.

Das Luft-Treibstoff-Gemisch wird dem zurückgeführten Abgas zugemischt, dessen Menge von der Steuereinrichtung 32 in Abhängigkeit von der Größe des Ansaugunterdrucks gesteuert wird, d.h. in Abhängigkeit vom Volumen der in den Motor 10 eingesaugten Luft, bevor

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der Strom aus Luft-Treibstoff-Gemisch an den Einlaßöffnungen 18 ankommt. Die resultierende Mischung wird in den Verbrennungsraum eingesaugt und in herkömmlicher Weise komprimiert.

Die beiden Zündkerzen 36 erzeugen gleichzeitig Funken, so daß das brennbare Gemisch, das mit Abgas verdünnt wurde, an zwei zueinander einen Abstand aufweisenden Plätzen gezündet wird. Die somit erzeugten zwei Flammen schreiten auf einen Mittelbereich des Verbrennungsraums 34,zu. Dementsprechend kann die Verbrennung des Gemischs über den gesamten Verbrennungsraum 34 in einer ganz kurzen Zeit fortschreiten. Wenn die Zündkerzen 36 genau symmetrisch (in einer Grundrissebene, wie vorher beschrieben) bezüglich einem Mittelpunkt des Verbrennungsraums 34 angeordnet sind, dann können sich die Flammen über dea ganzen Bereich des Verbrennungsraums³⁴ ^ einer Zeit ausbreiten, die nahezu nur halb so groß ist wie die Zeit, die für die Vollendung der Flammenausbreitung bei einem herkömmlichen Verbrennungsraum erforderlich ist, der mit einer einzigen Zündkerze ausgestattet ist. Nebenbei dient jede der beiden Flammen als eine Hilfs-Wärmequelle zum Aufrechterhalten der anderen Flamme. Dementsprechend kann die Verbrennung stabil und rasch fortschreiten, auch wenn die Rückführung des Abgases bei einem Rückführungsgrad durchgeführt wird, der so hoch wie 12 bis 25 % ist. Als Ergebnis wird im Verbrennungsraum 34 dieses Triebwerks nur wenig NO erzeugt. Natürlich ist die Zuverlässigkeit der Zündung des verdünnten Gemischs durch das Vorsehen der beiden Zündkerzen 36 in jedem Verbrennungsraum 34 beträchtlich verbessert.

Wird der Abgasrückführungsgrad auf einen Wert von über etwa 10 % bei einem in herkömmlicher Weise konstruierten Verbrennungsraum erhöht, bei dem nur eine einzige Zündkerze vorgesehen ist, dann kann der Motor kaum glatt und mit guter Ansprechbarkeit betrieben werden, da eine ganz beträchtliche Möglichkeit besteht, daß Fehlzündungen bzw. Zündaussetzer vorkommen. Nebenbei besteht die Möglichkeit, daß sich in einem derartigen Fall ein Abschrecken oder rasches. Abkühlen ' der Flamme ereignet, bevor diese Randzonen des Verbrennungsraums

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erreicht, selbst wenn die Zündung des verdünnten Gemische bewerkstelligt wurde; dies führt zu einer bemerkenswerten Absenkung der Ausgangsleistung.

Das Ventil-tEi^4 in der Strömungs-Steuereinrichtung 32 wird in Übereinstimmung mit dem Wechsel in der Größe des Unterdrucks am Venturiabschnitt 12a des Vergasers 12 bewegt, und die Geschwindigkeit des Stroms rückgeführten Abgases am engsten Querschnitt 4 2a der Lavaldüse 42 hat konstant Schallgeschwindigkeit, wenn der Druckunterschied zwischen Einlaß und Auslaß an der Düse 42 120 mmHg oder mehr beträgt. Dementsprechend wird der Volumendurchsatz an Abgas durch die Düse 42 ausschließlich von der Stellung des Ventilteils 44 bestimmt, wenn der Druckunterschied 120 mmHg oder mehr beträgt. In einem derartigen Zustand kann der J4) gasrückführungsgrad konstant auf einem vorher festgelegten Wert gehalten werden, da die Stellung des Ventilteils 44 von der Größe des Unterdrücke im Venturiabschnitt gesteuert wird, der zum Volumen der Luft in engem Verhältnis steht, die in die Einlaßverrohrung 16 eingesaugt wird.

Die Strömungsgeschwindigkeit: "des -Abgases im engsten Querschnitt 42a bleibt unter der Schallgrenze und ist variierbar, wenn die Druckdifferenz kleiner als 120 mmHg ist, und der Abgasrückführungsgrad ist für jede vorgegebene Stellung des Ventilteils 44 unterhalb des Grades, der sich bei einer Strömung mit Schallgeschwindigkeit einstellt. Da allerdings die Benutzung der Lavaldüse 42 die Verwendung eines maximalen Rückführungsgrades, das sind 25 %, innerhalb eines normalen Betriebsbereiches gestattet, kann der Rückführungsgrad beinahe über einen gesamten normalen Betriebsbereich hinweg konstant gehalten werden, indem man den Rückführungsgrad auf einen Wert etwas unterhalb 25 % einstellt.

Grundsätzlich verursacht die Abgasrückführung eine Erhöhung des TreibstoffVerbrauchs des Motors. Der Treibstoffverbrauch steigt, wenn der Abgasrückführungsgrad erhöht wird. Die Kurve A im Diagramm der Fig. 7 zeigt eine derartige Tendenz bei einem herkömmlichen

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Verbrennungsmotor, und die Kurve B zeigt das Verhältnis zwischen dem Abgasrückführungsgrad und dem Grad der Steigerung des spezifischen TreibstoffVerbrauchs bei einem erfindungsgemäßen Triebwerk. Wie aus diesem Diagramm ersichtlich, ist der spezifische Treibstoffverbrauch bei jedem Abgasrückführungsgrad kleiner als der eines herkömmlichen Motors. Der Unterschied zwischen den Kurven A und B in dem Fall, wenn Abgas nicht rückgeführt wird, ergibt sich aus dem folgenden Grund:

Bei einem erfindungsgemäßen Triebwerk ist der Zündzeitpunkt so eingestellt ,daß eine Charakteristik erreicht wird, , bei der geringste Frühzündung für optimales Drehmoment vorliegt (M.B.T. - Charakteristik) wie sie bei herkömmlichen Motorsystemen üblich ist. Dementsprechend wird der Zündzeitpunkt bei diesem Motor 10 um 10 bis des Kurbelwinkels gegenüber dem normalen Zündzeitpunkt bei einem ähnlichen Motor mit nur einer Zündkerze für jeden Verbrennungsraum verzögert. Allerdings wird die Verbrennung im Verbrennungsraum 34 dieses Motors 10 in einer verkürzten Zeit aufgrund der gleichzeitigen Zündung an den beiden Zündkerzen 36 beendet. Mit anderen Worten, der Brennraumdruck erreicht ein Maximum innerhalb, eines ' geringeren Zeitraums, vom Zündzeitpunkt an gerechnet, wie in Fig. gezeigt, wo die Kurven A bzw. B einen herkömmlichen Motor mit einer einzigen Zündkerze für jeden Verbrennungsraum und den erfindungsgemäßen Motor 10 zeigen. Eine verringerte Zündvoreilung beim Motor 10 führt zu einer Abnahme der negativen Arbeit oder des Verlustes bei jedem Kompressionshub (Arbeit, die geleistet wird, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht) theoretisch um einen Betrag, der mit der schraffierten Fläche in Fig. 6 übereinstimmt. Dies bedeutet das Einsparen eines Teils der Treibstoffenergie, die in der negativen Arbeit bei einem herkömmlichen Motor verbraucht wird.

Bei herkömmlichen Motoren mit einem Abgasrückführungskreis und einem Reaktor zum Behandeln von HC und CO wird die Zündzeit manchmal geringfügig verzögert und von einem Punkt mit M.B.T.-Charakteristik verschoben,um die Temperatur des Abgases anzuheben. Eine derartige Verzögerung oder Abweichung von einem optimalen Zündzeit-

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punkt ist bei einem erfindungsgemäßen Triebwerk sogar dann unnötig, wenn das Triebwerk einen thermischen oder katalytisch wirkenden Reaktor aufweist/ da das Absinken der Abgastemperatur durch die Verwendung von Zwillings-Abgasöffnungen auf ein Minimum gebracht ist.

Sowohl die Menge des im Verbrennungsraum 34 erzeugten NO als auch der spezifische Treibstoffverbrauch des Motors 10 werden nicht nur vom Abgasrückführungsgrad, sondern auch vom Luft-Treibstoffverhältnis des an den Motor 10 gelieferten verbrennbaren Gemischs beeinflußt. Die Menge des NO erreicht ein Maximum, wenn das brennbare Gemisch ein Luft-Treibstoffverhältnis nahe einem stöchiometrischen Verhältnis aufweist, und nimmt ab, wenn das verbrennbare Gemisch fetter oder magerer wird. Wenn" die Abgasrückführung durchgeführt wird, ist es ein übliches Vorgehen, ein Luft-Treibstoffverhältnis zu verwenden, das entweder-nahe an oder unter einem stöchiometrischen Verhältnis liegt, denn die Verbrennung wird ausgeprägt unstabil, wenn dem Abgas ein mageres Gemisch beigemengt wird.

Fig. 8 zeigt ein Diagramm,, in dem die ausgezogenen Linien bzw, gestrichelten Linien, einen erfindungsgemäßen Motor bzw. einen herkömmlichen Motor zeigen; das Diagramm zeigt die Veränderung" der im Motor erzeugten NO -Menge und das Maß der Zunahme des speziellen Treibstoffverbrauchs hinsichtlich einer Veränderung des Abgasrückführungsverhältnisses, und zwar auch unter Verwendung, eines "Luft-Treibstoff Verhältnisses als weiterem Parameter. Die Kurven A und A¹ stellen ein stöchiometrisches Luft-Treibstoffverhältnis dar. Die Kurven B und B^T, C und C sowie D und D¹ zeigen jeweils drei Luft-TreibstoffVerhältnisse, deren Betrag in alphabetischer Reihenfolge abnimmt. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, nimmt die NO -

Menge ab, wenn der Rückführungsgrad erhöht wird, aber der Treibstoffverbrauch nimmt bei einem· vorgegebenen Luft-Treibstoffverhältnis (beispielsweise dem stöchioinetrischen Verhältnis, dargestellt durch die Kurve A) zu, wenn das Rückführungsverhältnis einen bestimmten Wert überschreitet. Im Fall eines herkömmlichen Motors. ist es unmöglich, wenn das stöchiometrische Luft-Treibstoffverhältnis Anwendung findet, den Abgasrückführungsgrad frei zu erhöhen, da

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Fehlzündungen bzw. Zündaussetzer und/oder Abkühleffekte vorkommen, wenn der Rückführungsgrad etwa 10% überschreitet, wie am Markierungskreuz (x) an der Kurve A¹ angezeigt ist. Da die Menge des NO bei diesem Rückführungsgrad nicht zufriedenstellend klein ist, muß ein niedrigeres Luft-Treibstoffverhältnis, wie es beispielsweise durch die Kurve B¹ dargestellt ist, verwendet werden, um die Menge des NO noch weiter abzusenken. Selbst bei diesem Luft-Treibstoffverhältnis kommt es am Markierungskreuz an der Kurve B¹ , das einem Rückführungsgrad ein wenig oberhalb von 10% entspricht, zu Zündaussetzern. Das Luft-TreibstoffVerhältnis muß daher erheblich abgesenkt werden, wie von den Kurven B¹ und D¹ dargestellt, bis die NO ,-Menge zufriedenstellend klein wird, ohne daß gleichzeitig das Vorkommen von Zündaussetzern einhergeht, im Ergebnis ist also ein bemerkenswerter Zuwachs im spezifischen Treibstoffverbrauch unvermeidbar.

Selbst bei der Verv/endung eines stöchioir.etrischen Luft-Treibstoffverhältnisses kommen bei einem erfindungsgemäßen Triebwerk, bei dem in jedem Verbrennungsraum mindestens zwei Zündkerzen mit einem Abstand zueinander und grundsätzlich symmetrisch angeordnet sind, Zündaussetzer nur vor, wenn ein extrem hoher Rückführungsgrad (oberhalb 40%) verwendet wird (wie vom Markierungskreuz auf der Kurve A ersichtlich). Eine stabile und schnelle Verbrennung kann sogar dann sichergestellt werden, wenn das Luft-Treibstoffverhältnis ein wenig höher als das stöchiometrische₇ Verhältnis ist. Die Verwendung eines Luft-Treibstoffverhältnisses dicht am stöchiometrischen Verhältnis ist ganz besonders vorteilhaft, um eine Zunahme des spezifischen Treibstoffverbrauchs bei einem erfindungsgemäßen Triebwerk zu vermeiden. Gestützt auf die obenbeschriebenen Überlegungen und überzeugenden Experimente wird der Wert des Luft-Treibstoffverhältnisses für ein erfindungsgemäßes Triebwerk innerhalb des Bereichs von 13 bis 16 festgesetzt, wenn der Treibrstoff Benzin-ist. Da zwei oder mehr mit Abstand zueinander angeordnete Zündkerzen für jeden Verbrennungsraum gemäß der Erfindung vorgesehen .sind, und .da das Luft-Treibstoffverhältnis auf den obenge-

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nannten Bereich hin reguliert wird, kann der Abgasrückführungsgrad hoch genug angesetzt v/erden, um in bemerkenswerter Weise die Bildung von NO zu unterdrücken, ohne eine wesentliche Verschlechterung des stabilen Laufs, des Ansprechvermögens oder des Treibstoff-Verbrauchs des Motors zu verursachen.

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Claims

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Patentansprüche

Triebwerk gekennzeichnet durch

- einen Verbrennungsmotor (10), bei dem jeder Verbrennungsraum (34) mit mindestens zwei Zündkerzen (36) ausgestattet ist, die in einem Abstand voneinander angeordnet sind,

- eine Einrichtung zum im wesentlichen gleichzeitigen Erregen der mindestens zwei Zündkerzen (36),

- eine Einrichtung (12) zum Zuführen eines Luft-Treibstoffgemischs über eine Einlaßleitung (14) an jeden der Verbrennungsräume (34) ,

- eine Rückführleitung (30), die die Auspuffrohrleitung (22) des Motors (10) mit der Einlaßleitung (14) verbindet und

- eine Strömungs-Steuereinrichtung (32) zum derartigen Steuern des Strömungsdurchsatzes an Abgas durch die Rückführleitung (30), daß die maximale Menge zurückgeführten Abgases dann im Bereich von 12 bis 14 Volumenprozent der in jeden Verbrennungsraum (34) eingesaugten Luftmenge liegt, wenn sich der Motor (10) in einem normalen Betriebsbereich befindet. " _r _

Triebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb eines Mittelbereichs eines jeden Verbrennungsraums (34) mindestens zwei Zündkerzen (36) angeordnet sind.

Triebwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verbrennungsraum (34) kreisförmig im Querschnitt ist, wobei die mindestens zwei Zündkerzen (36) grundsätzlich symmetrisch zu einem Punkt auf der Mittelachse des Verbrennungsraums in einer Grundrißebene angeordnet ist, die parallel zum Querschnitt verläuft.

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4. Triebwerknach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Ströinungs-Steuereinrichtung (32) einen venturidüsenartigen Abschnitt (42) aufweist, der der Rückführleitung (30) eingeformt ist, ein Ventilteil (44) , das zum Verändern der wirksamen Querschnittsfläche (42a) des venturiartigen Abschnitts angeordnet ist sowie eine Ventil-Betätigungseinrichtung (48) , die zum Bewegen des Ventilteils (44) in Abhängigkeit von der Höhe des Unterdrucks gebaut und angeordnet ist, der an einem festgelegten Abschnitt der Einlaßleitung (14) erzeugt wird, wobei der venturiartige Düsenabschnitt (42) und das Ventilteil (44) derart geformt sind, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase am venturiartigen Düsenabschnitt (42) gleich ist der Schallgeschwindigkeit, wenn die Druckdifferenz in der Rückführleitung (30) zwischen zwei Abschnitten oberhalb bzw. unterhalb des venturiartigan Düsenabschnitts (42) 120 imnHg oder mehr beträgt.

5. Triabwerk nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen von Luft-Treibstoffgemisch ein Vergaser (12) ist, und daß der festgelegte Abschnitt der Düsenabschnitt (12) des Vergasers ist.

6. Triebwerk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,, daß die Rückführleitung (3o) und"die Strömungs-Steuereinrichtung (32) derart ausgelegt sind, daß die Menge des rückgeführten Abgases im Bereich von 12 bis 25 Volumenprozent der Luftmenge liegt, die in jeden Verbrennungsraum (34) angesaugt wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases am venturiartigen Düsenabschnitt (42, 42a) gleich ist der Schallgeschwindigkeit.

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7. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e kennzeichnet , daß die Einrichtung zum Zuführen des Luft-Treibstoff-Gemischs (12) derart reguliert ist, daß das Luft-Treibstoff-Gemisch ein Luft-Treibstoff-Verhältnis im Bereich von13 bis 16 aufweist, wenn der Treibstoff Benzin ist.

8. Triebwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Reaktor (22) , der dazu eingerichtet ist, in seinem Inneren die Oxidation von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen durchzuführen, die in den Abgasen des Motors (10) enthalten sind und der in der Auspuffleitung (24) des Motors (10) an einer Stelle in der Nähe eines jeden Verbrennungsraums (34) angeordnet ist.

9. Triebwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) ein Mehrzylindermotor mit einer Auslaßöffnung (20) für jeden Verbrennungsraum (34) ist, wobei jeweils eine Auslaßöffnung (20) nahe einer anderen Auslaßöffnung für einen daneben gelegenen und nächsten Verbrennungsraum. (34) ausgebildet ist und mit dieser Auslaßöffnung an einer Stelle zusammentrifft, die von den beiden Verbrennungsräumen (34) nur wenig entfernt ist, um somit eine gemeinsame einzige Leitung zu bilden-

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