DE69326337T2

DE69326337T2 - Brennstoff-gas-zuführungssystem für brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE69326337T2
Application number: DE69326337T
Authority: DE
Inventors: Gregory Bell; Lyle Gildersleeve; Stephen Malss; John Paluch; Christopher Schlunke; Darren Smith
Original assignee: ORBITAL ENG AUSTRALIA; Orbital Engine Co Australia Pty Ltd
Current assignee: ORBITAL ENG AUSTRALIA; Orbital Engine Co Australia Pty Ltd
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2013-05-15
Also published as: IN186569B; KR950701710A; JPH07506647A; EP0640178B1; CN1085988A; WO1993023668A1; DE69326337D1; BR9306364A; RU94046055A; PL172842B1; EP0640178A4; MX9302837A; US5546902A; ATE184369T1; CN1042455C; CA2135765A1; EP0640178A1; TW237500B; RU2109976C1; KR100327682B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Verbrennungsvorgang eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungskraftmaschine, und insbesondere auf die Verbesserung dieses Vorgangs, um die Höhe der Abgasemissionen zu verringern und/oder die Verbrennungsstabilität zu verbessern und/oder in anderer Weise den Verbrennungsvorgang zu verbessern.
Alle größeren Industrieländer haben zur Zeit Regelungen, die sich auf die Höhe der Abgasemissionen aus Motorfahrzeugen, insbesondere Personenfahrzeugen, beziehen. Die Regelungsbehörden verringern zunehmend die zulässige Höhe der Emissionen und steigern dadurch die Anforderung an stärkere Steuerung des Verbrennungsvorgangs von Verbrennungsmotoren. Die Regelungen bezüglich der Steuerung der Abgasemissionen beinhalten ein Testverfahren, bei welchem der Motorbetrieb bei niedriger bis mittlerer Belastung normalerweise ein wesentlicher Faktor ist, und unglücklicherweise bieten diese Betriebsbereiche des Motors eine wesentliche Schwierigkeit bei der Steuerung des Verbrennungsvorgangs.
Im niedrigen bis mittleren Arbeitsbereich eines Motors ist die Kraftstoffverbrauchsrate so, daß die Verteilung von Kraftstoff innerhalb der Luftmenge in der Verbrennungskammer vorzugsweise schichtenförmig ist, so daß ein ausreichend reiches Gemisch in der Umgebung der Zündvorrichtung vorhanden ist, um eine zuverlässige Auslösung der Verbrennung zu ergeben. Die Erzeugung der geschichteten Kraftstoffverteilung ist insbesondere schwierig zu erzielen, wenn der Kraftstoff in die Luftbeschickung vor dem Eintritt der Luftbeschickung in die Verbrennungskammer eingeleitet wird, insbesondere da der Kraftstoff in die Luftbeschickung zu einem Zeitpunkt in Bezug auf den Motorzyklus eingeleitet werden muß, der gewährleistet, daß der ganze Kraftstoff die Verbrennungskammer vor dem Schließen der Ansaugöffnung erreicht. So steht dem Kraftstoff eine wesentliche Zeitspanne zur Verfügung sowohl im Luftansaugsystem als auch in der Verbrennungskammer vor und nach dem Schließen der Einlaßöffnung in der Luftbeschickung zu dispergieren.
Ein gewisser Erfolg wurde bei der Erzeugung einer geschichteten Beschickung durch die Verwendung einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung zur Zuführung des Kraftstoffs in die Luftbeschickung an einer Stelle erzielt, die nur in einem verhältnismäßig geringen Abstand strömungsaufwärts von der Ansaugöffnung liegt. Dies ermöglicht eine verhältnismäßig späte Einspritzung des Kraftstoffs und verkürzt die Zeit, die für die Dispersion des Kraftstoffs innerhalb der Luftbeschickung zur Verfügung steht. Eine weitere Verbesserung wurde durch das Einspritzen des Kraftstoffs direkt in die Verbrennungskammer erreicht. Dies bringt jedoch das weitere Problem mit sich, daß der Kraftstoff mit nahezu Schallgeschwindigkeit eingespritzt werden muß, um den erforderlichen Grad an Zerstäubung des Kraftstoffs zu erreichen. Darüber hinaus ergibt die hohe Geschwindigkeit eine beträchtliche Dispersion des Kraftstoffs innerhalb der Verbrennungskammer.
Es wurde auch vorgeschlagen, eine Zündungsverbesserungssubstanz zusammen mit der Kraftstoff/Luftbeschickung einzuleiten, um zur Förderung der anfänglichen Kraftstoffeinspritzung beizutragen. Wasserstoff ist die bevorzugte Verbesserungssubstanz, die zu diesem Vorgang verwendet wird, aber infolge seiner hohen Dispersionsgeschwindigkeit, die etwa zehnmal schneller ist als die von Sauerstoff, werden verhältnismäßig große Wasserstoffmengen verbraucht, insbesondere wenn der Kraftstoff und Wasserstoff in die Luftbeschickung vor der Abgabe derselben in die Verbrennungskammer eingeleitet werden. Es ist aus praktischen Gründen auch erwünscht, den Wasserstoff innerhalb des Fahrzeugs zu erzeugen, statt lediglich einen Vorrat an vorgefertigtem Wasserstoff mitzuführen. Infolgedessen erfordert ein großer Wasserstoffverbrauch eine beträchtliche Wasserstofferzeugungskapazität "an Bord", was beides Energie verbraucht, Platz im Fahrzeug erfordert und dessen Gewicht vergrößert.
In DE-A-38 28 764 ist in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor, dessen Hauptverbrennungsmischung von Kraftstoff und Luft in die Verbrennungskammer durch eine Einlaßöffnung erfolgt, ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei welchen eine sehr kleine Wasserstoffmenge direkt in den Innenraum der Zündkerze zwischen deren Elektroden vor der Zündung eingeleitet wird, um ein leicht zündbares Gemisch an den Elektroden zu gewährleisten.
Es ist ferner bekannt, daß die Einleitung von anderen ausgewählten Substanzen in die Kraftstoff/Luftbeschickung in der Verbrennungskammer eines Motors für die Steuerung des Verbrennungsvorganges vorteilhaft sein kann. Ferner ist es bekannt, daß die Wirksamkeit einiger dieser Substanzen auf die Anordnung der Substanz innerhalb des Kraftstoff/Luftgemischs, wie dessen Anordnung bezüglich der Verbrennungskammerwände, den Kraftstoffeintritt in die Verbrennungskammer, die Zündkerze oder eine ähnliche Zündeinrichtung oder die Auslaßöffnung bezogen ist. So trägt die Möglichkeit, diese Substanzen einer bestimmten Stelle innerhalb der Verbrennungskammer unter bestimmten Motorbetriebsbedingungen zuzuführen, nicht nur zu einer verbesserten Leistung bei, sondern verringert auch die Verbrauchsmenge der gewählten Substanz, wodurch der Kostenwirkungsgrad der Verwendung der ausgewählten Substanz erhöht wird. Die Bezugnahme auf "Substanzen" ist so zu verstehen, daß sie bestimmte Elemente, Verbindungen von zwei oder mehr Elementen oder Mischungen von Elementen und/ oder Verbindungen umfassen.
GB-A-2 039 607 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoffeinspritzung, insbesondere eines Motors mit Kompressionszündung, bei welchem ein zündungsbereiter flüssiger Kraftstoff, insbesondere Diesel- Kraftstoff, in eine Verbrennungskammer, und ein Sauerstoff, der einen der Zündung abgeneigten flüssigen Kraftstoff (z. B. Alkohol) enthält, in die Verbrennungskammer durch eine jeweilige Einspritzeinrichtung derart eingespritzt werden, daß ein Kraftstoff-Luftgemisch in der Kammer für die Zündung durch den zur Zündung bereiten (Diesel)-Kraftstoff gebildet wird.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Betreiben eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem die Steuerung der Verbrennung der Kraftstoff/Luftbeschickung verbessert wird, um dadurch zur Steuerung der Größe der Fahrzeugabgasemissionen beizutragen und/oder die Verbrennungsstabilität zu verbessern und/oder in anderer Weise den Verbrennungsvorgang in einer sowohl wirkungsvollen als auch wirtschaftlichen Art zu verbessern.
Zu diesen Zweck schafft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine oder eines Verbrennungsmotors, welches umfaßt: Einspritzen einer Kraftstoffmenge direkt in eine Verbrennungskammer des Motors, und Zuführen einer Menge einer Verbrennungssteuersubstanz in die Verbrennungskammer in zeitlicher Abstimmung mit der Zuführung des Kraftstoffs, so daß eine bestimmte Verteilung der Verbrennungssteuersubstanz an einer bestimmten Stelle innerhalb der Verbrennungskammer erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in die Verbrennungskammer mitgeführt in Luft über den gesamten Motorbetriebslastbereich eingespritzt wird, und daß die Verbrennungssteuersubstanz einen höheren Dispersionsgrad besitzt als der Kraftstoff und der Verbrennungskammer nur zugeführt wird, wenn die Maschine oder der Motor in einem vorbestimmten Last- und Drehzahlbereich läuft.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Einspritzung der Steuersubstanz vorzugsweise ebenfalls in zeitlicher Abstimmung auf das Einspritzen des Kraftstoffs.
Die Steuersubstanz kann eine Substanz zur Zündungsverbesserung sein, wobei die ausgewählte Stelle die unmittelbare Umgebung einer in der Verbrennungskammer angeordneten Zündeinrichtung ist, wodurch die Zündungsfähigkeit des Kraftstoff/Luftgemischs in der Verbrennungskammer verbessert wird. Diese verbesserte Zündungsfähigkeit ist vorteilhaft, wenn der Motor bei niedrigen Belastungen arbeitet, wenn das Kraftstoff/Luftgemisch arm und/oder geschichtet ist.
Bei anderen Betriebsbedingungen kann es erwünscht sein, die Steuersubstanz an einer Stelle nahe der Umfangswand der Verbrennungskammer einzuleiten, wie z. B. ein Oxidierungsmittel, um die Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu unterstützen, oder ein Klopfunterdrückungsmittel einschließlich Wasser oder Ammoniak. Ferner kann die Steuersubstanz ein Additiv zur Erhöhung der Oktanzahl des Kraftstoffs sein, um das Klopfen zu steuern.
Bei einer Ausführungsform ist innerhalb der Verbrennungskammer eine wahlweise betätigbare Zündeinrichtung angeordnet, und die Zündverbesserungssubstanz wird direkt in die Verbrennungskammer in zeitlicher Abstimmung auf die Einleitung des Kraftstoffs eingeleitet, vorzugsweise so, daß ein verbessertes zündfähiges Gemisch an der Zündeinrichtung im Zeitpunkt der Aktivierung der Zündungeinrichtung erzeugt wird.
Vorzugsweise ist der Kraftstoff ein Kohlenwasserstoff-Kraftstoff, und vorzugsweise wird der Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer entweder unabhängig von oder zusammen mit der Zündverbesserungssubstanz eingeleitet. Auch wird die Verbrennungssteuersubstanz entsprechend den Motorbetriebsbedingungen, wie der Motorbelastung und/oder Drehzahl und/oder in Beziehung zur Rate der Kraftstoffzuführung zum Motor dosiert. Die Verbrennungssteuersubstanz wird in die Verbrennungskammer nur eingeleitet, wenn der Motor in einem ausgewählten Belastungs- und Drehzahlbereich läuft, wie im niedrigen bis mittleren Motorbelastungsbereich.
Zweckmäßigerweise wird die Verbrennungssteuersubstanz in die Verbrennungskammer mitgeführt in einem Gas, wie Luft, entweder unabhängig von oder in Verbindung mit dem Kraftstoff eingeleitet.
Zweckmäßigerweise ist die Verbrennungssteuersubstanz Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas. Vorzugsweise tritt der Beginn der Zuleitung des Wasserstoffs in die Verbrennungskammer später im Motorzyklus ein als der Beginn der Zuleitung des Kraftstoffs, und sie kann nach Beendigung der Zuleitung des Kraftstoffs in die Verbrennungskammer erfolgen. Da Wasserstoff eine hohe Dispersionsrate besitzt, wird bevorzugt, daß der Wasserstoff in diesem Zeitpuntk eingeleitet wird, so daß der Wasserstoff ausreichend Zeit hat, um die Umgebung der Zündeinrichtung zu erreichen, und daß der Wasserstoff nicht genügend Zeit hat, sich in einem solchen Ausmaß zu verteilen oder zu dispergieren, daß die Zündfähigkeits-Verbesserungswirkung des Wasserstoffs im Kraftstoff-Luftgemisch wesentlich verringert wird.
Vorzugsweise wird der Wasserstoff in die Verbrennungskammer derart eingeleitet, daß die Dispersion des Wasserstoffs minimal wird und daß der Wasserstoff in die unmittelbare Umgebung der Zündeinrichtung geleitet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden jeweils dosierte Mengen eines in Luft mitgeführten Kraftstoffs direkt in eine Motorverbrennungskammer eingeleitet, und die Verbrennungssteuersubstanz, wie eine Zündverbesserungssubstanz, z. B. Wasserstoff, wird in die Luft eingeleitet, um ein im wesentlichen gleichförmiges Luft/Steuersubstanz-Gemisch für die Mitnahme des Kraftstoffs zu erhalten.
Die Steuersubstanz wird in die Luft nur eingeleitet, wenn der Motor in einem ausgewählten Motorbelastungs- und Drehzahlbereich arbeitet, wie z. B. dem niedrigen bis mittleren Belastungs- oder Drehzahlbereich des Motors im Fall von Wasserstoff, oder im hohen Belastungs- und/oder Drehzahlbereich des Motors im Fall einer Klopfsteuersubstanz. Der Wasserstoff oder eine andere Steuersubstanz können in die Luft während der Zeitspanne geleitet werden, in der eine Steuersubstanz erforderlich ist, oder sie können zyklisch eingeleitet werden, insbesondere, wenn die Steuersubstanz Wasserstoff ist, da er eine ausreichend hohe Dispersionsrate besitzt, um ein im wesentlichen gleichförmiges Gemisch vor dem Einspritzen in die Verbrennungskammer zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Brennkraftmaschine oder einem Verbrennungsmotor, mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung zum Einspritzen unabhängig zugemessener, in Luft mitgeführter Kraftstoffmengen direkt in eine Verbrennungskammer des Motors über den gesamten Motorbetriebslastbereich, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung an die Verbrennungskammer über eine selektiv zu öffnende Kraftstoffzuführöffnung anschließbar ist, und mit einer Verbrennungssteuersubstanz-Zuführeinrichtung zum Zuführen einer Verbrennungssteuersubstanz, die einen höheren Dispersionsgrad besitzt als der Kraftstoff, direkt in die Verbrennungskammer in zeitlicher Abstimmung mit der Einspritzung des Kraftstoffs, um eine bestimmte Verteilung der Verbrennungssteuersubstanz an einer bestimmten Stelle in derselben zu erzeugen, wobei die Verbrennungssteuersubstanz-Zuführeinrichtung geeignet ist, die Steuersubstanz in Abhängigkeit vom Laufen des Motors in einem bestimmten Last- und Drehzahlbereich zuzuführen.
Zweckmäßigerweise wird die Steuersubstanz in die Verbrennungskammer gemischt mit Luft eingeleitet.
Bei einem alternativen Aufbau kann die Steuersubstanz-Abgabeeinrichtung so ausgebildet werden, daß sie eine Steuersubstanz der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zuführt, wodurch die Steuersubstanz und der Kraftstoff zusammen in Luft mitgeführt der Verbrennungskammer zugeführt werden.
Bei einer anderen Alternative leitet die Steuersubstanz-Abgabeeinrichtung unabhängig und direkt in die Verbrennungskammer ein. Die Steuersubstanz-Abgabeeinrichtung wird jedoch in zeitlicher Abstimmung mit der Betätigung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und zweckmäßigerweise durch den gleichen Aktivierungsmechanismus wie die Kraftstoffeinspritzeinrichtung betätigt.
Die Steuersubstanz-Abgabeeinrichtung ist zweckmäßigerweise mit einer Dosiereinrichtung verbunden, um die Menge der der Kraftstoffeinspritzeinrichtung oder Verbrennungskammer zugeführten Steuersubstanz zu dosieren. Eine solche Dosierung kann entsprechend den Motorbetriebsbedingungen durchgeführt werden, wie der Motorbelastung und/oder Drehzahl und/oder in Beziehung auf die Rate der Kraftstoffzuführung zum Motor. Die Steuersubstanz-Abgabeeinrichtung gibt nur dann ab, wenn der Motor in dem gewählten Belastungs- und Drehzahlbereich arbeitet, wie dem niedrigen bis mittleren Motorbelastungsbereich.
Die Steuersubstanz-Abgabeeinrichtung gibt nur in der Zeit ab, in der der relevante Motorbetriebszustand herrscht, oder zyklisch.
Vorzugsweise ist die Steuersubstanz Wasserstoff, und die Abgabeeinrichtung gibt Wasserstoff in die unmittelbare Umgebung einer Zündeinrichtung in der Verbrennungskammer, z. B. durch eine im Zylinderkopf nahe der Zündeinrichtung angeordnete Düse, ab, und kann in die Zündeinrichtung eingebaut oder an derselben angebracht sein, um eine Wasserstoffströmung auf eine Elektrode der Zündeinrichtung zu richten.
Wenn Luft der Kraftstoffeinspritzeinrichtung durch einen Kompressor zugeführt wird, kann die Wasserstoffabgabeeinrichtung zweckmäßigerweise Wasserstoff in die Luft am Kompressor entweder auf der Einlaß- oder Auslaßseite einleiten. Wenn ein Brennluft/Kraftstoffzug (rail) verwendet wird, kann das Problem der Einleitung von Wasserstoff in Hochdruckluft durch die Verwendung dieser Einrichtung vermieden werden.
Die Einleitung von Wasserstoff mit dem Kraftstoff in die Verbrennungskammer ergibt möglicherweise eine Anzahl von Vorteilen für den Betrieb des Verbrennungsmotors. Diese Vorteile beruhen auf der verbesserten Zündfähigkeit des Kraftstoff/Luftgemischs, die durch das Einleiten von Wasserstoff mit demselben in die Verbrennungskammer bewirkt wird. Einige dieser Vorteile sind die folgenden:
1. Das Luft/Kraftstoffverhältnis ist weniger kritisch für die Zündungsfähigkeit der Beschickung, und Beschickungen mit Luft/Kraftstoffverhältnissen bis herunter zu 40 : 1 an der Zündeinrichtung können annehmbar sein, oder hinauf bis zu 5 : 1 an der Zündeinrichtung.
2. Der Kohlenwasserstoff (HC)- und CO-Gehalt des Abgases wird verringert.
3. Eine verbesserte Motorstabilität bei Betrieb mit niedriger Temperatur wird infolge der verbesserten Zündfähigkeit des Gemischs erreicht.
4. Es ist nicht nötig, eine durch die Erfordernisse der Zündfähigkeit diktierte Zündsteuerung zu wählen, und so kann die Zündvorstellung auf ein Minimum zur Erzielung des besten Drehmoments (MBT) eingestellt werden. Diese Zündeinstellung trägt auch zur Verringerung von NOx und verbessertem Kraftstoffverbrauch bei.
5. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung von Sauerstoff eine stärkere Anwendung von Abgas-Rezirkulation (EGR) zur Verringerung der Emissionen ermöglicht. Das Verfahren zur Abgas-Rezirkulation (EGR) ist in der parallelen Australischen Patentanmeldung Nr. PL 6639 beschrieben.
Da die Erfindung das Einspritzen von Wasserstoff direkt in die Verbrennungskammer ermöglicht, wobei das Einspritzen vorzugsweise unabhängig von der Kraftstoffzuführung erfolgt, hat sich gezeigt, daß nur verhältnismäßig kleine Wasserstoffmengen erforderlich sind, um die erwünschte Verbesserung der Zündfähigkeit des Kraftstoff-Luftgemischs auch bei Motoren mit geschichteter Beschickung (stratifed charge) zu erzielen. Eine wesentliche Verbesserung des Verbrennungsvorgangs ist mit nur 2% Wasserstoffeinspritzung im Verhältnis zur Kraftstoffbeschickung erzielt worden. Dies steht im Gegensatz zum Stand der Technik, wo festgestellt wurde, daß bei Einleitung von Wasserstoff in die Luftbeschickung vor dem Eintritt in die Verbrennungskammer der Wasserstoffbedarf bis 10% und darüber betrug, um die gleichen Verbesserungen im Verbrennungsvorgang zu erzielen. Der durch die Erfindung ermöglichte niedrige Wasserstoffverbrauch verbessert die Möglichkeit zur Erzielung eines wirtschaftlichen Mittels zur Erzeugung ausreichender Mengen von Wassertoff an Bord eines Fahrzeugs, vielleicht durch Verwendung eines kompakten Katalyseverfahrens.
Die Erfindung ist besser zu verstehen aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsformen der Steuerungszufuhr von Wasserstoff in die Motorverbrennungskammer mit Bezugnahme auf die Figuren. Es wird bemerkt, daß, obwohl die folgende Beschreibung mit Bezugnahme auf die Figuren insbesondere die Zuführung von Wasserstoff in die Verbrennungskammer betrifft, der gleiche Aufbau aber auch verwendet werden kann, andere Verbrennungssteuersubstanzen der Verbrennungskammer zuzuführen und diese Steuersubstanz zu geeigneten Stellen innerhalb der Verbrennungskammer zu leiten.
Es zeigt:
Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht eines Teils einer Kraftstoffeinspritzdüse mit einer Wasserstoffzuführeinrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung, welche die Querschnittsgeometrie des vergrößerten Teils des in Fig. 1 dargestellten Ventilschaftes darstellt;
Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht einer Kraftstoffeinspritzdüse mit einer anderen Form von Wasserstoffzuführeinrichtung;
Fig. 4 eine geschnittene Seitenansicht einer Kraftstoffeinspritzdüse mit einer weiteren Form einer Wasserstoffzuführeinrichtung; und
Fig. 5 eine geschnittene Seitenansicht einer Kraftstoffeinspritzdüse mit noch einer weiteren Ausführungsform der Wasserstoffzuführeinrichtung.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der Aufbau der Kraftstoffeinspritzdüse mit einer Wasserstoffzuführeinrichtung einen hohlzylindrischen Hauptteil 10 mit einer Auslaßöffnung 11 an einem unteren Ende und ein Ventilorgan 12 auf, das an einem Ventilschaft 13 angebracht ist. Das Ventilorgan 12 kann zum Öffnen und Schließen der Auslaßöffnung 11 für die Abgabe einer Kraftstoff/Luftmischung wahlweise verstellt werden. Die Verschiebung des Ventilorgans 12 zum Öffnen und Schließen der Auslaßöffnung 11 wird normalerweise durch ein wahlweise erregbares Solenoid unter der Steuerung einer ECU bewirkt, wie es in der Kraftstoffeinspritztechnik bekannt ist.
Der Düsenhauptteil 10 hat einen Kanal 15, der in einer Wand desselben vorgesehen ist und mit einer (nicht gezeigten) Wasserstoffzufuhr in Verbindung steht und in einer Abzweigöffnung 16 in der Innenwand des Düsenhauptteils 10 endet. Der Ventilschaft 13 hat einen verbreiterten Teil 17, dessen Durchmesser so gewählt ist, daß er einen dichten Gleitsitz innerhalb der Bohrung des Hauptteils 10 gewährleistet. Der verbreiterte Teil 17 bildet eine Halterung des Ventilschaftes 13 zentral in der Bohrung des Düsenhauptteils 10, insbesondere, wenn das Ventilorgan 12 sich in der geöffneten Stellung befindet. Der verbreiterte Teil 17 muß nicht in Berührung mit der Innenfläche des Düsenhauptteils 10 über den ganzen Umfang desselben stehen, sondern er kann an einer Anzahl von Stellen um den Umfang des Düsenhauptteils 10 so damit in Berührung stehen, daß der Ventilschaft 13 innerhalb der Bohrung zentral angeordnet ist.
Der verbreiterte Teil 17 des Ventilschaftes 13 steht jedoch in einem engen Gleitkontakt mit der Innenfläche der Bohrung des Düsenhauptteils 10 in dem Bereich, in welchem die Abzweigöffnung 16 angeordnet ist, um eine Steuerung des Öffnens und Schließens der Abzweigöffnung 16 zu erhalten. Daher ist der Kontakt zwischen dem verbreiterten Teil 17 und der Innen fläche des Düsenhauptteils 10 so ausgebildet, daß bei in geschlossener Stellung befindlichem Ventilorgan 12 die Abzweigöffnung 16 durch das Anliegen des verbreiterten Teils 17 an der Innenfläche der Bohrung des Düsenhauptteils 10 ebenfalls geschlossen ist, wodurch eine Wasserstoffströmung durch die Abzweigöffnung 16 in die Bohrung des Düsenhauptteils 10 verhindert wird.
Ferner ist der verbreiterte Teil 17 so bemessen, daß bei Verschiebung des Ventilorgans 12 in die geöffnete Stellung die Abzweigöffnung 16 so freiliegt, daß im Kanal 15 vorhandener Wasserstoff in einen unteren Abschnitt der inneren Bohrung des Düsenhauptteils 10 über eine Nut oder Nuten 18 im verbreiterten Teil 17 des Ventilschaftes 13 strömen kann. Zwei Nuten 18 sind in Fig. 2 dargestellt. Es ist aber klar, daß jede geeignete Anzahl oder Geometrie der Nut oder Nuten 18 angewendet werden kann. Wenn daher das Ventilorgan 12 geöffnet ist, strömt Wasserstoff durch die Nuten 18 und dann durch die offene Auslaßöffnung 11.
Durch geeignete Auswahl der Abmessungsverhältnisse des verbreiterten Teils 17 bezüglich der Abzweigöffnung 16 und des Ventilorgans 12 lassen sich verschiedene Zeitbeziehungen zwischen dem Öffnen und Schließen der Auslaßöffnung 11 der Düse und dem Öffnen und Schließen der Abzweigöffnung 16 erreichen. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Abzweigöffnung 16 eine kürzere Zeitspanne geöffnet als die Auslaßöffnung 11. Ferner wird das Öffnen der Abzweigöffnung 16 bezüglich des Öffnens der Auslaßöffnung 11 vorzugsweise verzögert. Auf diese Weise wird das Wasserstoffgas in die Verbrennungskammer später eingeleitet als der Kraftstoff, und es steht daher weniger Zeit zur Verfügung für die Dispersion des Wasserstoffs vor der Zündung des Kraftstoff/Wasserstoff/- Luftgemischs.
Fig. 3 zeigt eine Abänderung des Aufbaus der Fig. 1, wobei zwei verbreiterte Teile 17 und 19 am Ventilschaft 13 vorgesehen sind und jeder verbreiterte Teil 17 und 19 in Kontakt mit der Innenfläche der Bohrung des Düsenhauptteils 10 um den vollen Umfang des jeweiligen verbreiterten Teils 17 bzw. 19 steht. Auf diese Weise wird eine isolierte Kammer 20 zwischen den verbreiterten Teilen 17 und 19 vorgesehen. Zusätzlich zur Abzweigöffnung 16 in der Wand des Düsenhauptteils 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Kraftstoffabgabeöffnung 21 vorgesehen, die über den Kanal 22 mit der Einspritzöffnung 23 verbunden ist.
Es ist so ersichtlich, daß bei dieser alternativen Konstruktion der Wasserstoff aus einer getrennten Zuführöffnung 21 in die Einspritzöffnung 23 geleitet wird, die geeignet angeordnet ist, um den Wasserstoff in den Bereich der Zündkerze zu leiten, die innerhalb der Verbrennungskammer angeordnet ist, um die Bildung eines zündungsfähigen Gemischs in der unmittelbaren Umgebung desselben zu fördern. Die Zeitsteuerung der Zuführung des Wasserstoffs kann ebenfalls verzögert werden, wenigstens bezüglich des Beginns der Zuführung des Kraftstoffs zur Verbrennungskammer, wie oben beschrieben.
Es wird ferner bemerkt, daß der Kanal 22 und die Öffnung 23 so angeordnet und geformt sein können, daß der Wasserstoff in einem weiten Bereich von Richtungen in Abhängigkeit davon eingeleitet werden kann, wo er erwünscht ist, um den Wasserstoff oder eine andere Verbrennungssteuersubstanz innerhalb der Verbrennungskammer zu konzentrieren. Insbesondere müssen die Verbrennungssteuersubstanzen nicht in der Umgebung der Zündkerze der Verbrennungskammer konzentriert werden.
Bei beiden oben beschriebenen Ausführungsformen strömt der Kraftstoff vorzugsweise durch den Ventilschaft 13, der hohl ausgebildet ist und eine oder mehrere Auslaßöffnungen 25 im Bereich unmittelbar oberhalb des Ventilorgans 12 und unterhalb des verbreiterten Teils 17 aufweist.
Ein anderer Aufbau ist in Fig. 4 gezeigt, welche eine Düse darstellt, in der Wasserstoff durch den Kanal 15 und die Öffnung 32 in den Hohlraum 24 strömt, um in dieser Weise in die Verbrennungskammer eines Motors eingespritzt zu werden, wobei eine minimale Vermischung von Kraftstoff, Luft und Wasserstoff vor dem Einspritzen eintritt.
Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 5 kann der Wasserstoff durch einen getrennten Kanal 27 und ein zugehöriges Steuerventil 28, wie ein solenoidbetätigtes Ventil, in einer Dosiereinheit 29 eingeleitet werden, welche die Zeitsteuerung und Dauer der Zuführung des Wasserstoffs steuert. Bei dem dargestellten Aufbau strömt Wasserstoff durch einen nadelförmigen Körper, in welchem die Kraftstoffzuführleitung 27 ausgebildet ist, zu einem Austrittspunkt 33, der mit der Auslaßöffnung 25 ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird eine Vermischung von Wasserstoff mit Luft, die entweder durch das Innere des hohlen Düsenkörpers 10 oder den Ventilschaft 13 strömt, bis zum Einspritzen verhindert. Alternativ kann der Wasserstoff in die Verbrennungskammer des Motors getrennt vom Kraftstoff in ähnlicher Weise eingeleitet werden, wie es mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wurde, oder direkt durch die Bohrung des Düsenhauptteils 10 für eine Zuführung zur Verbrennungskammer des Motors durch die Kraftstoffeinspritzdüse, wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben.
Auch das Ventil 28, die Dosiereinheit 29 und der Kanal 27 können an jeder gewünschten Stelle bezüglich der Verbrennungskammer in Abhängigkeit von der gewünschten Stelle der Verbrennungssteuersubstanz innerhalb der Verbrennungskammer angeordnet werden. So können sie beispielsweise nahe der Zündkerze angeordnet oder in den Hauptteil der Zündkerze eingebaut werden.
Wenn ferner der Kraftstoff in die Verbrennungskammer eingebettet in Luft eingeleitet wird, kann die Luft durch die zentrale Axialbohrung 40 des zylindrischen Düsenhauptteils 10 einer Kraftstoffeinspritzdüse des oben mit Bezugnahme auf die Fig. 1 und 3 beschriebenen Aufbaus zugeführt werden. In solchen Kraftstoffeinspritzsystemen kann der Wasserstoff in die Luft an einer Stelle strömungsaufwärts von der Kraftstoffeinspritzdüse durch ein geeignet gesteuertes Ventil, wie ein solenoidbetätigtes Ventil, zugeführt werden, das durch eine geeignet programmierte ECU betätigt wird. Dieser Vorschlag führt zwar dazu, daß der Wasserstoff eine längere Zeitspanne für die Dispersion in der Luft zur Verfügung steht als bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 3, aber die Luftmenge ist wesentlich kleiner als sie zur Verfügung steht, wenn der Wasserstoff in die Luftansaugleitung oder auf andere Weise in die Ansaugluft eingeleitet wird.
Es ist nicht beabsichtigt, daß die Erfindung auf Wasserstoff in seinem reinen Zustand oder auch in Mischung mit anderen Gasen eingeschränkt wird. Die erläuterten Grundsätze sind gleichermaßen anwendbar auf das Einspritzen von anderen Gasen, die beispielsweise verwendet werden können, um die Verbrennungsstabilität und/oder den Verbrennungsvorgang zu verbessern, wie durch Verringerung der Neigung zum Klopfen oder Verringerung der Emissionen. Als Beispiele können erwähnt werden Mischungen aus Stickstoff/recyclierte Abgase, Sauerstoff und Sauerstoff enthaltende Mischungen. Mischungen von Wasserstoff und anderen geeigneten Gasen können ebenfalls angewendet werden.
Es wird auch bemerkt, daß die Zuführung von Wasserstoff oder anderen Verbrennungssteuersubstanzen in Bezug auf die pro Verbrennungskammer je Arbeitszyklus derselben abgegebene Menge gesteuert werden kann, wie durch die ECU-Steuerung der Dosiereinheit 29. Wenn daher eine Wasserstoffherstellungseinrichtung an Bord des Fahrzeugs vorgesehen ist, kann der Wasserstoff gespeichert und dem Motor zugemessen werden, wie es nach den Betriebsbedingungen des Motors erforderlich ist, z. B. während der Beschleunigung oder des Kaltstarts, bei welchen die Wasserstofferzeugung hoch ist.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine oder eines Verbrennungsmotors, welches umfaßt: Einspritzen einer Kraftstoffmenge direkt in eine Verbrennungsmkammer des Motors, und Zuführen einer Menge einer Verbrennungssteuersubstanz in die Verbrennungskammer in zeitlicher Abstimmung mit der Zuführung des Kraftstoffs, so daß eine bestimmte Verteilung der Verbrennungssteuersubstanz an einer bestimmten Stelle innerhalb der Verbrennungskammer erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in die Verbrennungskammer mitgeführt in Luft über den gesamten Motorbestriebslastbereich eingespritzt wird, und daß die Verbrennungssteuersubstanz einen höheren Dispersionsgrad besitzt als der Kraftstoff und der Verbrennungskammer nur zugeführt wird, wenn die Maschine oder der Motor in einem vorbestimmten Last- und Drehzahlbereich läuft.

2. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungssteuersubstanz der Verbrennungskammer mitgeführt in Luft zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungssteuersubstanz in die Verbrennungskammer vermischt mit Kraftstoff und Luft eingespritzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungssteuersubstanz der Verbrennungskammer zugeführt wird, wenn der Motor im niedrigen bis mittleren Motorlastbereich läuft.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der Verbrennungssteuersubstanz in die Verbrennungskammer in einer genügenden Zeit vor der Zündung bewirkt wird, so daß die Verbrennungssteuersubstanz die unmittelbare Umgebung einer innerhalb der Verbrennungskammer angeordneten Zündeinrichtung vor der Zündung erreicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungssteuersubstanz in einer unmittelbaren Umgebung einer innerhalb der Verbrennungskammer angeordneten Zündeinrichtung vor der Zündung direkt zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungssteuersubstanz ein Mittel zur Zündungsverbesserung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Zündungsverbesserung Wasserstoff ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils zugemessenen, in Luft mitgeführten Kraftstoffmengen direkt in eine Motorverbrennungskammer eingespritzt werden, und daß die Verbrennungssteuersubstanz in die Luft eingeleitet wird, um eine im wesentlichen gleichförmige Mischung von Luft/Verbrennungssteuersubstanz für die Mitführung des Kraftstoffs zu erzeugen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Bereich der untere bis mittlere Motorlast- oder Drehzahlbereich ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft für die Mitführung des Kraftstoffs durch einen Kompressor geliefert wird, und daß die Verbrennungssteuersubstanz in die Luft am Kompressor eingeleitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungssteuersubstanz in die Luft an der Auslaßseite des Kompressors eingeleitet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei welchem die Verbrennungssteuersubstanz ein Mittel zur Zündungsverbesserung ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem das Mittel zur Zündungsverbesserung Wasserstoff ist.

15. Vorrichtung zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Brennkraftmaschine oder einem Verbrennungsmotor, mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10; 11; 12; 13) zum Einspritzen unabhängig zugemessener, in Luft mitgeführter Kraftstoffmengen direkt in eine Verbrennungskammer des Motors über den gesamten Motorbetriebslastbereich, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10; 11; 12; 13) an die Verbrennungskammer über eine selektiv zu öffnende Kraftstoffzuführöffnung (11) anschließbar ist, und mit einer Verbrennungssteuersubstanz-Zuführeinrichtung (15; 16) zum Zuführen einer Verbrennungssteuersubstanz, die einen höheren Dispersionsgrad besitzt als der Kraftstoff, direkt in die Verbrennungskammer in zeitlicher Abstimmung mit der Einspritzung des Kraftstoffs, um eine bestimmte Verteilung der Verbrennungssteuersubstanz an einer bestimmten Stelle in derselben zu erzeugen, wobei die Verbrennungssteuersubstanz-Zuführeinrichtung (15; 16) geeignet ist, die Steuersubstanz in Abhängigkeit vom Laufen des Motors in einem bestimmten Last- und Dreh zahlbereich zuzuführen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungssteuersubstanz-Zuführeinrichtung (15; 16) geeignet ist, die Steuersubstanz der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (11; 12; 13) vor der Zuführung derselben zur Verbrennungskammer zuzuführen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungssteuersubstanz-Zuführeinrichtung (15; 16) in zeitlicher Abstimmung mit der Öffnung der Kraftstoffzuführöffnung (11) betätigbar ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungssteuersubstanz-Zuführeinrichtung (15; 16) und die Kraftstoffzuführöffnung (11) durch die gleiche Betätigungseinrichtung betätigt werden.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungssteuersubstanz-Zuführeinrichtung (15; 16) geeignet ist, die Steuersubstanz in die unmittelbare Umgebung der in der Verbrennungskammer vorgesehenen Zündeinrichtung zuzuführen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungssteuersubstanz-Zuführeinrichtung (15; 16) in die Zündeinrichtung eingebaut oder an dieser montiert ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10; 11; 12; 13) einen Hauptteil (10) aufweist mit einer axialen Bohrung (20), die an eine Luftversorgung anschließbar und mit einem Ende der Kraftstoffzuführöff nung (11) verbunden ist, einem Ventil (12), das zum Öffnen und Schließen der Öffnung betätigbar ist, und einem Ventilschaft (13), der am Ventil (12) befestigt ist und sich innerhalb der axialen Bohrung (20) erstreckt, wobei der Ventilschaft (13) einen ihn durchsetzenden axialen Kraftstoffkanal enthält, der mit der axialen Bohrung (20) nahe der Öffnung (11) in Verbindung steht, und wobei der Schaft in seiner Bohrung (20) zum Öffnen und Schließen der Öffnung (11) axial verschiebbar ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei welcher die Verbrennungssteuersubstanz-Zuführeinrichtung (15; 16) in Abhängigkeit vom Öffnen der Öffnung (11) mit der axialen Bohrung (20) wahlweise in Verbindung steht, um eine Verbrennungssteuersubstanz in die Bohrung (20) zuzuführen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei welcher die Verbrennungssteuersubstanz-Zuführeinrichtung (15; 16) einen weiteren Kanal (23) in dem Hauptteil (10) der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (10; 11; 12; 13) enthält, der mit der Verbrennungskammer in Verbindung steht, und eine Einrichtung (12) zum wahlweisen Öffnen und Schließen des weiteren Kanals (23) in zeitlicher Abstimmung mit dem Öffnen und Schließen der Öffnung (11) vorgesehen ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, bei welcher der weitere Kanal (23) eine Verbrennungssteuersubstanz der Verbrennungskammer in der Umgebung der Zündeinrichtung zuführt.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, bei welcher die Verbrennungssteuersubstanz Wasserstoff ist.

26. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der Wasserstoff der Verbrennungskammer während des Motorstarts und/oder der Motorbeschleunigung zugeführt wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Verbrennungssteuersubstanz der Verbrennungskammer während des Motorstartens und/oder der Motorbeschleunigung zugeführt wird.