DE69521204T2

DE69521204T2 - Zündvorrichtung für brennkkraftmaschinen

Info

Publication number: DE69521204T2
Application number: DE69521204T
Authority: DE
Inventors: Charles Watson
Original assignee: University of Melbourne
Current assignee: University of Melbourne
Priority date: 1994-07-13
Filing date: 1995-07-13
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2015-07-14
Also published as: EP0770171A1; DE69521204D1; EP0770171A4; ES2161296T3; ATE201918T1; JPH10502717A; WO1996002742A1; EP0770171B1

Description

Bereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Zündvorrichtungen für interne Verbrennungsmotoren und insbesondere betrifft sie durch Wasserstoff unterstützte Strahlenzündvorrichtungen (HAJI = hydrogen assisted jet ignition) zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Verbrennung. In der hier vorliegenden Beschreibung soll der Begriff "Wasserstoff" sowohl Wasserstoff als auch andere schnell verbrennende Brennstoffe umfassen.

Hintergrund der Erfindung

Die gleichzeitige Kontrolle der Abgasemissionen und des thermischen Wirkungsgrads ist ein etabliertes Ziel bei dem Entwurf von Motoren. Die Optimierung des Motorenentwurfs wird eingeschränkt, insbesondere bei Vergaser- bzw. Ottomotoren, durch die Takt-zu-Takt-Veränderlichkeit (CBCV = cycle by cycle variability). Die CBCV wird beobachtet entweder als Variationen in dem Druckdiagramm oder als Variationen in der Flammenausbreitung zwischen den aufeinanderfolgenden Motorenzyklen. Bei einem Fahrzeug hat die konsequente Unstetigkeit der erbrachten Motorenleistung eine ungleichmäßige Weiterbewegung des Fahrzeugs zur Folge und ist als "Stoßen" (surge) bezeichnet worden. Variationen der Verbrennung erfordern Kompromisse bei dem Entwurf eines Motors, bei dem Einstellen der Zusammensetzung des Gemischs und bei der Zündungseinstellung. Dies reduziert die Motorenkraft und den Wirkungsgrad bei voller Belastung, um den Anforderungen bzgl. Holprigkeit, Lärm und Oktan gerecht zu werden, und bei partieller Belastung und bei Leerlauf reduziert dies die Brennstoffeinsparung und erhöht den Ausstoß an Schadstoffen um eine Stoßkontrolle zu erzielen..
Könnte die CBCV behoben werden, dann würde der Motor bei seinen besten wirtschaftlichen Einstellungen laufen und trotzdem eine gleichmäßige und ruckfreie Leistungsabgabe erbringen. Zusätzlich könnten die Anforderungen an das Oktan des Brennstoffs verringert werden, oder aber das Kompressionsverhältnis könnte herauf gesetzt werden, mit einer daraus resultierenden Verbesserung der Effizienz. Ferner könnte die Magergrenze des Motorenbetriebes erweitert werden, was zu einer Reduzierung des Ausstoßes an Schadstoffen sowie zu einer Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades führen würde. Es hat sich gezeigt, dass die Reduzierung der CBCV bei Magermixmotoren in Verbindung mit einer Kontrolle des Timings der Zündung den Ausstoß von NOx Emissionen verringern kann und gleichzeitig den thermischen Wirkungsgrad des Motors verbessern kann. Ein weiterer wichtiger Vorteil, der durch die Kontrolle der Zyklusveränderungen entsteht, ist die Reduzierung des Motorenstoßes und das verbesserte Fahrverhalten beim Reisen mit dem Fahrzeug.
Bei Magermixmotoren sind viele Forschungen durchgeführt worden, die zum Ziel hatten, die Effizienz zu verbessern und die Emissionen zu reduzieren. Die Vorteile der Annäherung einer mageren Verbrennung können theoretisch wie folgt erklärt werden. Der Luftüberschuss verbessert den thermischen Wirkungsgrad des Motors, indem das gesamte spezifische Hitzeverhältnis erhöht wird, indem die durch die Dissoziation der Verbrennungsprodukte entstehenden Energieverluste reduziert werden und indem die thermischen Verluste an das Motorenkühlsystem vermindert werden. Zusätzlich, wenn die Flammentemperatur mit sinkendem Verhältnis von Brennstoff zu Luft absinkt, dann wird die Entwicklung von NOx exponentiell reduziert, und der Luftüberschuss kann eine vollständigere Reaktion von CO und dem Ausstoß an Kohlenwasserstoffbrennstoff aus Spalten und Abschreckschichten begünstigen.
Es steht fest, dass bei dem derzeitigen Stand der Entwicklungen die US-Ausstoßnormen eine wirkliche Herausforderung bei der Durchsetzung der Vorteile von Brennstoffeinsparungen darstellen, die den Magermixmotoren theoretisch eigen sind. Andererseits und obwohl der Anreiz für Magermixanwendungen bei Fahrzeugmotoren gilt und gute theoretische Grundlagen hat, stellt die Realisierung ein komplexes Problem dar, bei dem gleichzeitig verschiedene im Konflikt miteinander stehende Anforderungen erfüllt werden müssen. Der Betrieb mit Magermix erhöht die CBCV und verschlechtert die Fahreigenschaften des Fahrzeugs. Die CBCV erhöht sich mit steigendem Verhältnis von Luft zu Brennstoff.
Viele Versuche sind zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Verbrennung unternommen worden. Solche Versuche beinhalten die Stratifikation von Brennstoff mit einem reichen Gemisch in dem Bereich der Zündkerze, von geteilten oder eine Vorkammer enthaltenden Motoren, allein oder in Verbindung mit einer Stratifikation, und eine Wasserstoffanreicherung der gesamten Brennstoffladung. Keiner dieser Versuche ist vollkommen erfolgreich gewesen, und die oben genannten Probleme bleiben weiterhin bestehen.
Bei nicht mit Treibstoff gefüllten geteilten Kammermotoren, welche die von Bosch um 1978 durch Patent geschützten Zündkerze enthalten, kann das Ausmaß der Vorkammer (Volumen, Länge und Öffnung des verbindenden Durchgangs) die Verbrennung nur bei einer speziellen Leistungsabgabe verbessern. Demnach, während der Wirkungsgrad der Verbrennung bei einer bestimmten Leistungsabgabe verbessert werden kann, tendiert die Energie jedoch bei voller Kraft dazu, an die Vorkammerwände und an andere Teile der Hauptkammer durch den aufprallenden Strahl verlören zu gehen, so dass die Spitzenkraft um ca. 10% reduziert wird. Ferner, da die Vorkammer in den Konfigurationen nach dem Stand der Technik nicht mit Treibstoff gefüllt ist und auf der Übertragung des Treibstoffgemischs aus der Hauptkammer beruht, kann der Start in kaltem Zustand schwierig sein.
In einer Veröffentlichung mit dem Titel "Hohe chemische Aktivität von Produkten aus einer unvollständigen Verbrennung und Methode einer Brennerzündung in einer Vorkammer zur Lawinenaktivierung der Verbrennung in Motoren mit interner Verbrennung" von L.A. Gussak vom "Institute of Chemical Physics Academy of Sciences of the USSR, Moskau" (Publikation der Gesellschaft der Automobilingenieure der USA) beschreibt der Autor die Auswirkungen der Brennerzündung in der Vorkammer auf die Flammenfront eines aus Kohlenwasserstoff und Luft bestehenden Gemischs und folgert, dass die Optimierung durch die Anwendung eines Vorkammervolumens von 2 oder 3 Prozent des komprimierten Volumens der Verbrennungskammer erzielt wird. Während dieses Dokument einige wissenschaftliche Überlegungen hinsichtlich der Verbrennungsprodukte aus der Vorkammerverbrennung eines sehr ergiebigen aus Luft und Wasserstoff bestehenden Gemischs wiedergibt, geht der Autor jedoch auf keine Schlussfolgerung bzgl. der Wahrscheinlichkeit einer Vorkammerverbrennung ein, welche einen deutlichen Vorteil bei der Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades eines Motors darstellen würde, während zu der gleichen Zeit die NOx Emissionen verringert würden.
Die Patentliteratur beinhaltet ebenfalls einige Referenzen bzgl. der Verbrennung von Wasserstoff in Vorkammern; wobei die am besten zutreffende Schrift gemäß dem Stand der Technik das U.S. Patent 4,140,090 von Lindburg und das U.S. Patent 4,760,820 von Tozzi sind. Die Referenz Lindburg liefert eine kleine Vorkammern zur Verbrennung von Wasserstoff, lehrt jedoch insbesondere die Einführung eines Oxidationsmittels, das mit dem aus Wasserstoff bestehenden Brennstoff vermischt wird, zur Sicherung der stöchiometrischen Verhältnisse. Die Referenz schweigt sich ebenfalls aus über die Natur des Austrittsdurchgangs. Der hier betroffene Antragsteller hat festgestellt, dass das Gemisch in der Vorkammer vorzugsweise reich an Wasserstoff sein sollte und dass die Ausgangsöffnung vorsichtig bemessen sein sollte, um zu gewährleisten, dass ein sauberer Zündungsjetstrom aus der Öffnung austreten kann und die komplette Verbrennung eines Gemischs von Magermixtreibstoff in der Verbrennungskammer gesichert ist.
Bei der Referenz Tozzi führt das magnetische Felder erzeugende Mittel zu einer unerwünschten Komplexität und erhöht den Verbrauch an Energie beim Erzeugen der Plasmatemperaturen von ca. 4.000 bis 6.000ºC. Die von Tozzi beschriebenen Plasmazündertypen erfreuten sich keines kommerziellen Erfolges, wahrscheinlich wegen der Komplexität und der damit verbundenen Schwierigkeiten bzgl. des Energieverbrauches.
WO A-9309385 offenbart einen mit Brenner gezündeten internen Verbrennungsmotor mit einem an Wasserstoff reichen Gemisch in der Vorkammer sowie mit gewissen eingesetzten Mischungsbereichen und gewissen Dimensionen des Motors.
EP A-377265 offenbart die Anwendung eines Brennerdurchgangs. DE A-3300945 beschreibt die Anwendung von zwei Brennerdurchgängen und offenbart ebenfalls ovale Brennerdurchgänge. US A-4144848 zeigt Paare von diametral entgegengesetzten Brennerdurchgängen, welche teilweise auf einer senkrechten Achse angeordnet sind.

Zusammenfassung und Gegenstand der Erfindung

Es ist ein Gegenstand dieser Erfindung, eine Zündvorrichtung zu liefern, mit welcher der Wirkungsgrad der Verbrennung erhöht wird und mit welcher die oben angeführten Probleme zumindest vermindert werden.
Die Erfindung liefert einen Verbrennungsmotor, der wenigstens eine Verbrennungskammer mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen aufweist, sowie eine Zündvorrichtung, die mit der Verbrennungskammer verbunden ist, wobei die Verbrennungskammer eine kleine Vorkammer enthält mit einem Volumen, das im Wesentlichen im Bereich von 0,5% bis weniger als 2% des Totraumvolumens der Verbrennungskammer liegt und die Ausgangsöffnungen aufweist; einer Einrichtung zum Erzeugen eines schnell brennbaren, an Wasserstoff reichen Gemischs mit etwa dem 1,2- bis 7-fachen der stöchiometrischen Menge in der Vorkammer; einer Einrichtung zum Zünden des brennbaren Gemischs in der Vorkammer, wobei die Vorkammer und die Öffnungen so bemessen sind, dass sie einen dimensionslosen Halsparameter
aufwiesen der im Wesentlichen im Bereich von 0,3 bis 0,8 liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer wenigstens ein Paar und nicht mehr als zwei Paare einander entgegengesetzt gerichteter Auslassöffnungen aufweist und die Zündvorrichtung so ausgerichtet ist, dass das wenigstens eine Paar Auslassöffnungen so angeordnet ist, dass ihre Zündstrahlen in Richtung einer ersten Linie verlaufen, die sich zwischen den Einlass- und den Auslassventilen in der Kammer erstreckt, um so die wirkungsvolle Verbrennung in der Verbrennungskammer zu fördern, und das zweite Paar Auslassöffnungen, falls es vorhanden ist, so angeordnet ist, dass ihre Zündstrahlen in Richtung einer zweiten Linie verlaufen, wobei sich die zweite Linie quer zu der ersten Linie erstreckt.
Durch die Verwendung der oben genannten Zündvorrichtung und besonders durch die Auswahl des dimensionslosen Halsparameters β innerhalb des oben genannten Bereichs, durch die Verwendung des oben definierten an Wasserstoff reichen Gemischs und durch die Anwendung von mindestens einem Paar und von nicht mehr als zwei Paaren der einander entgegengesetzt gerichteten Auslassöffnungen wird die Veränderlichkeit der Leerlaufverbrennung nahezu eliminiert, sogar bei einem Betrieb mit Magerverbrennung. Zur gleichen Zeit werden niedrigere Ausstoßniveaus erzielt und ein ungedrosselter Betrieb ist möglich, mit einigen Opfern hinsichtlich der Effizienz, jedoch mit NOx Emissionen, die nahezu bei Null liegen.
Das Volumen der Vorkammer ist vorzugsweise so klein wie dies praktisch möglich ist, wobei die untere Grenze des Kaminervolumens hauptsächlich bestimmt wird durch die Fähigkeit der physikalischen Bildung der Vorkammer. Vorkammervolumina von ca. 0,5% sind nur unter Schwierigkeiten erzielt worden, während. Vorkammervolumina von ca. 0,7% leicht erzielt wurden und den Vorteil bieten, dass sie innerhalb des Durchmessers eines genormten Verbindungsteils der Zündkerzen angeordnet werden können.
In einer bevorzugten Form der Erfindung wird die Zündvorrichtung mit mindestens zwei Ausgangsöffnungen gebildet, die über winklig verlaufende Durchgänge mit einem konischen Eintrittsdurchgang verbunden sind. Die Ausgangsdurchgänge erstrecken sich vorzugsweise in entgegengesetzte Richtungen ausgehend von dem schmalen Ende der Eintrittsöffnung und werden vorzugsweise an einem Durchmesser eines Körpers zentriert, in welchem die Öffnungen und Durchgänge geformt werden. Eine derartige Öffnungsanordnung besitzt einen dimensionslosen Halsparameter β von ca. 0,7.
Bei der Anwendung sind die Öffnungen innerhalb einer Verbrennungskammer, welche zwei Einlass- und zwei Auslassventile besitzt, derart angeordnet, dass die Zündungsstrahlen, die aus den Öffnungen austreten, gegen den First des Pultdaches der Kammer zwischen den Paaren der Einlass- und Auslassventile gerichtet sind, vorzugsweise so wie dies später ausführlicher beschrieben wird.
Bei einer anderen Ausführungsform, welche für Motoren mit einem engen Winkel (z. B. 0-15º) zwischen den Einlass- und Auslassventilen anwendbar ist, wird die Zündvorrichtung mit vier Auslassöffnungen ausgebildet, die in Paaren angeordnet sind und die sich in entgegengesetzte Richtungen ausdehnen mit einem jeweiligen Abstand von ca. 90º. Die Öffnungen sind durch sich winklig ausdehnende Durchgänge mit einem konischen Einlassdurchgang verbunden, und wieder beträgt der dimensionslose Halsparameter β bei dieser Öffnungsanordnung ca. 0,7.
Während in einer jeden der oben genannten Ausführungen die Bereitstellung eines konischen Einlassdurchgangs zur Reduzierung der Hitzeverluste bevorzugt wird, ist die Anwendung eines zylindrischen Einlassdurchganges akzeptabel.
Während die Verfügbarkeit von Wasserstoff als eine Brennstoffquelle für die Verbrennung innerhalb der Vorkammer aus der oben genannten Veröffentlichung von Gussak und aus anderen Quellen bekannt ist, wurde vor der hier vorliegenden Erfindung die Möglichkeit aber nicht erkannt die Größe der Vorkammer, wie sie oben definiert worden ist, wesentlich zu reduzieren. Natürlich wird man durch die Möglichkeit die Größe der Vorkammer zu reduzieren, nicht nur in die Lage versetzt, die Vorkammer in eine geänderte Zündkerze mit normgerechten Dimensionen der Befestigung einzubauen, sondern auch hierbei die totalen Hitzeverluste während des Verbrennungsprozesses deutlich zu verkleinern, was zu überraschenden Verbesserungen bei der Magermixverbrennung und zu hieraus resultierenden Verminderungen der NOx Emissionen führt. Bis zu dem Zeitpunkt der vorliegenden Erfindung ging man immer davon aus, dass ein Vorkammervolumen erforderlich wäre, das mindestens so groß ist wie das von Gussak festgelegte, um eine Optimierung der Vorkammerverbrennung zu erzielen, und dass von der chemischen Seite her korrekte Wasserstoff enthaltende Gemische nahe bei den stöchiometrischen Verhältnissen in der Vorkammer anwesend sein müssten, um die notwendige Brennerzündung zu ergeben und um den erwarteten Vorteil aus diesem Prozess zu erzielen. Es wurde nun überraschenderweise festgelegt, dass deutlich kleinere Volumina verwendet werden können, ohne dass dafür die Wirksamkeit des Zündstrahles des brennenden Gases, das sich aus dem Verbrennungsprozess der Vorkammer ergibt, in Frage gestellt würde. Es wurde ebenfalls überraschenderweise bestimmt, dass durch die Auswahl der Ausmaße des Öffnungshalses β zwischen etwa 0,3 und 0,8 und durch die Auswahl von entgegengesetzt gerichteten Öffnungen, die Motorenleistung für Magermixmischungen maximiert wird. Wenn man zur gleichen Zeit sicherstellt, dass ein an Wasserstoff reiches Verbrennungsgemisch in der Vorkammer vorliegt, dann wird auf ähnliche Weise die Verbrennungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgemischs in der Vorkammer der Kraftmaschine deutlich verbessert und die Emissionen an NOx Rauchgasen werden vermindert.
Das große Verhältnis des Oberflächenbereichs zu dem Volumen der Vorkammer garantiert, dass der in der Vorkammer verbleibende Gasrückstand sich bei einer niedrigen Temperatur befindet, eine Bedingung für eine geringe NOx Emission aus diesem Bereich, wenn sich das Gas während der Ausdehnungsphase in die Hauptkammer hinein ausdehnt. Die Strahlen der Verbrennungsprodukte, die bei der Schallgeschwindigkeit oder nahe bei der Schallgeschwindigkeit aus dem kleinen Volumen der Vorkammer hinein in aus Kohlenwasserstoff bestehenden Brennstoff in der Hauptkammer treten, verursachen eine verteilte Reaktion in einem ultra mageren-Gemisch, das ausgesprochen magerer sein kann als die herkömmliche magere Entflammbarkeisgrenze. Die verteilte Reaktion wird durch die Anwesenheit von chemisch aktiven Arten in dem Strahl ausgelöst und lässt eine räumlich nahezu homogene Verbrennung zu, die eine exzellente Reproduzierbarkeit aufweist und daher nahe bei einer räumlich einheitlichen Temperatur liegt. Zusammen mit der Fähigkeit, ultramagere Gemische zu verwenden, erlaubt es dieses Verfahren die höheren Temperaturen zu vermeiden, welche in dem Bereich des zuerst verbrannten Gases im Ottomotor in dem Bereich der Zündkerze oder in dem reicheren Gemisch rund um den Brennstoffstrahl in dem Dieselmotor liegen und welche die Quelle von hohen NOx Rauchgasausstößen sind.
Der Wasserstoff enthaltende Brennstoff kann aus einer geeigneten Quelle in die Vorkammer geleitet werden oder er kann vor Ort durch Katalyse innerhalb der Vorkammer produziert werden. Die im Vergleich zu Brennstoffen aus Kohlenwasserstoffen zehnmal schnellere Geschwindigkeit der Flammen des Wasserstoffs reduziert die Variationen in der Dauer für das Wachstum des Zündkerns erheblich und so wird die CBCV scheinbar bei der Verbrennung unter Bedingungen von Leerlauf oder von leichter Belastung beseitigt. Dies ermöglicht die Verbrennung von Magergemischen in der Hauptkammer; die Gemische können so mager sein, dass ein Drosseln entfallen kann, wodurch sich der thermische Wirkungsgrad erhöht und die NOx Rauchgasausstöße in so einem Umfang wie der dreifachen Größenordnung vermindert werden.
Die Vorkammer kann als ein Teil einer Ersatzzündkerze oder als ein Teil des Zylinderkopfes in dem Bereich der die Zündkerze aufnehmenden Öffnung geformt werden. Das Mittel zur Zündung der brennbaren Gemischs kann entweder eine Zündkerze in Miniatur enthalten oder irgendeine andere Form eines einen Funken erzeugenden Hilfsmittels, welches als integrierenden Bestandteil des Mittels zur Einführung des Wasserstoffs in die Vorkammer ausgebildet ist.
Die Erfindung liefert ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines internen Verbrennungsmotors, der mindestens eine Verbrennungskammer mit zwei Einlass- und mit zwei Auslassventilen besitzt, und das die Schritte beinhaltet zum Einleiten eines schnell brennbaren, an Wasserstoff reichen Gemischs mit etwa dem 1,2- bis 7-fachen der stöchiometrischen Menge in eine Vorkammer einer Zündvorrichtung, die mit einer Verbrennungskammer des Motors verbunden ist und ein Volumen besitzt, das im Wesentlichen im Bereich von 0,5% bis zu weniger als 2% des Todraumvolumens der Verbrennungskammer liegt, wobei die Zündvorrichtung Auslassöffnungen hat, die einen dimensionslosen Halsparameter
aufweisen, der im Wesentlichen im Bereich von 0,3 bis 0,8 liegt, und des Zündens des Gemischs in der Vorkammer zum Erzeugen von Zündstrahlen umfasst, die aus den Auslassöffnungen austreten, gekennzeichnet durch den Schritt des Bereitstellens von mindestens einem Paar und von nicht mehr als zwei Paaren entgegengesetzt gerichteter Auslassöffnungen aus der Vorkammer, aus denen Zündstrahlen in entgegengesetzte Richtungen austreten, wobei das mindestens eine Paar der Auslassöffnungen so angeordnet ist, dass die Zündstrahlen in Richtung einer ersten Linie verlaufen, die sich zwischen den Einlass- und Auslassventilen in der Kammer erstreckt, um so die wirkungsvolle Verbrennung innerhalb der Verbrennungskammer zu fördern, und das zweite Paar Auslassöffnungen, falls es vorhanden ist, so angeordnet ist, dass ihre Zündstrahlen in Richtung einer zweiten Linie verlaufen, wobei sich die zweite Linie quer zu der ersten Linie erstreckt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Damit die Erfindung einfacher verstanden werden kann, werden nachfolgend einige Darstellungsformen der Erfindung beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, aus denen folgende Darstellungen ersichtlich sind:
Abb. 1 zeigt schematisch eine Zündvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Abb. 2 zeigt schematisch eine Zündvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Abb. 3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform der Erfindung;
Abb. 3a ist eine Graphik und sie zeigt die Änderungen bei dem angezeigten thermischen Wirkungsgrad bei verschiedenen Ventilen mit dem dimensionslosen Halsparameters β;
Abb. 4 ist eine Schnittansicht einer Zündvorrichtung gemäß einem Versuchsprototyp, und die
Abb. 4A und 4B sind entsprechende schematische Schnittansichten und Schnittansichten des Endes von Halseinsätzen, welche die bevorzugteren Ausbildungen der Auslassöffnungen aufweisen;
Abb. 4C ist eine schematische Darstellung der anfänglichen Flammenentwicklung bei der Verwendung des Halseinsatzes nach Abb. 4A;
Abb. 5 ist eine Graphik und zeigt die Veränderungen der spezifischen HC, CO und NOx Emissionen mit den Veränderungen der spezifischen Arbeit mit Wasserstoff bei ca. 0,8% Methanol an Masse, eingespritzt unter 90º, Kurbelwinkel BTDC bei γ = 9;
Abb. 5A ist eine Graphik und zeigt die Veränderungen der NOx Rauchgasausstöße mit der Motorenkraft als Arbeit/Zyklus für eine normale Zündung und für den Fall der Erfindung;
Abb. 6 ist eine Graphik und zeigt die Veränderung der HC, CO und NOx Emissionen mit einem Timing der Einspritzung von H2 in die Vorkammer bei einem optimalen Wirkungsgrad der Gemische von λ = 2,1, 1,98 und 1,6 bei entsprechend voller, halber und viertel Drosselung;
Abb. 7 ist eine Graphik und zeigt die Wirkung des Ausmaßes der Einspritzung von H2 in die Vorkammer auf den Wirkungsgrad und der Vorzündung bei dem gleichen optimalen Wirkungsgrad der Gemische und mit den Drosselwerten wie sie im Zusammenhang mit Abb. 6 erwähnt worden sind;
Abb. 8 ist eine Graphik und zeigt die Veränderung des COV bei einer spezifischen Arbeit pro Zyklus mit der Menge der Einspritzung von H2 in die Vorkammer bei dem gleichen optimalen Wirkungsgrad der Gemische und mit den Drosselwerten;
Abb. 9 ist eine Graphik und zeigt die Veränderung von COV bei einem Spitzendruck mit der Menge der Einspritzung von H2 in die Vorkammer bei dem gleichen optimalen Wirkungsgrad der Gemische und mit den Drosselwerten;
Abb. 10 ist eine Graphik und zeigt die Wirkung eines steigenden Kompressionsverhältnisses auf den angezeigten thermischen Wirkungsgrad für eine normale Zündung und für eine mit Wasserstoff unterstützte Strahlenzündung, und
Abb. 11 ist eine Graphik und zeigt die angegebenen Veränderungen bei den angegebenen thermischen Wirkungsgraden mit der Motorenkraft als Arbeit/Zyklus für eine normale Zündung, und für die Erfindung mit einem erhöhten Kompressionsverhältnis.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Wasserstoff oder reformierter Brennstoff, der einen großen Anteil an Wasserstoff enthält, wird in einer Vorkammer hergestellt bzw. in eine Vorkammer eingeführt, welche ein so kleines Volumen besitzt, dass sie in der Zündkerze ausgebildet werden kann. Beispiele möglicher Entwürfe von Ausbildungen werden in den Abb. 1 bis 3 gezeigt.
Abb. 1 zeigt die Anordnung, bei welcher das Wasserstoffgas in eine Vorkammer 1 eingeführt wird, die eine Ausgangsöffnung 1a durch eine kleines Ventil 2 besitzt, das von einem Ventiltreiber 3 bedient wird und das Gemisch wird von einer Miniaturzündkerze 4 gezündet. In einer jeden der Ausführungsformen der Abb. 1, 3 und 4 wird ein geringer Zufuhrdruck (ca. vier Atmosphären) des Wasserstoffs benutzt, so dass der Druck der Wasserstoffzufuhr nicht größer ist als der Zufuhrdruck des Brennstoffs an die Verbrennungskammer.
Abb. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher die zentrale Elektrode der Zündkerze von dem Einlassventil für den Wasserstoff 5 gebildet wird, welches einen Zündspalt innerhalb des Gaseinlasses 6 begrenzt, wenn das Ventil um eine Einheit geöffnet ist, und welches beide Funktionen erfüllt. In diesem Fall kann der Wasserstoff aus einem Speicherbehälter zugeführt werden oder durch Reformieren von kleinen Mengen an Brennstoff außerhalb der Vorkammer geliefert werden. Der Wasserstoff kann durch die Produkte des Reformierens verschmutzt werden.
Abb. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorkammer, in welcher der Wasserstoff durch einen Reformierkatalysator 7 erzeugt wird, wobei die Reformierrate und folglich die Menge des hergestellten Wasserstoffs durch die Temperatur des Katalysatorbetts kontrolliert wird, welches hier dargestellt wird durch ein elektrisches Heizmittel 8, das unter der Kontrolle eines den Motor führenden Rechners steht (nicht gezeigt). In diesem Fall, wenn die Menge Brennstoff innerhalb eines jeden der Zylinder nicht ausreicht, um ein größeres als das stöchiometrische Wasserstoffgemisch zu produzieren, und wenn hierdurch der Wirkungsgrad des von dem Wasserstoff unterstützten Strahlzündungssystems reduziert wird, dann kann zusätzlicher aus Kohlenwasserstoffen bestehender Brennstoff zum Bilden eines an Wasserstoff reichen Gemischs in die Vorkammer geleitet werden oder es können kleine Mengen an Wasserstoff sofort eingespritzt werden, um den durch Katalyse erzeugten Wasserstoff zu ergänzen.
Die Erfindung kann sowohl bei Vier- als auch bei Zweitaktmotoren angewendet werden.
Die Menge an zugeführtem Wasserstoff oder an durch Katalyse hergestelltem reformiertem Brennstoff kann variiert werden, aber es wurde gefunden, dass kleine Mengen in einer Größenordnung von 0,5 bis 2% an Masse akzeptable Ergebnisse liefern. Das Gemisch in der Vorkammer sollte größer als stöchiometrisch sein und Werte zwischen dem 1,2 und 7-fachen der stöchiometrischen Menge sind akzeptabel, wobei das 3- fache einen angemessenen Mittelwert darstellt. Die im Vergleich zu den Kohlenwasserstoffe enthaltenden Brennstoffen 10-fach schnellere Flammengeschwindigkeit des Wasserstoffs reduziert die Schwankung bei der Dauer des Wachstums des Zündkerns deutlich und behebt auf diese Weise virtuell die Takt-zur-Takt-Schwankung der Verbrennung unter Bedingungen des Leerlaufs und einer leichten Belastung. Der Austritt des teilweise verbrannten Wasserstoffs und des Kohlenwasserstoff enthaltenden Brennstoffs aus der Vorkammer schafft einen Strahl von Enthalpie und von reagierenden Produkten, welche die brennstoffarmen hauptsächlichen Produkte der Hauptkammer dazu veranlassen bei viel niedrigeren Temperaturen zu verbrennen und es ist dann eine Stöchiometrie mit einer lokalisierten Zündungsquelle möglich.
Die Verbrennung einer Magermischung in der Hauptkammer kann ausreichend mager sein, sodass die Drosselung eliminiert werden kann, und so der thermische Wirkungsgrad durch Eliminierung der Pumparbeit ansteigt und es werden die Emissionen an Stickstoffoxiden vermindert, um solch eine Größenordnung wie das 2-fache, durch die einheitlichere Verbrennung bei niedrigen Temperaturen.
Weil die Verbrennung der für die maximale Kraft benötigten Gemische so schnell ist, verzögert sich das Einsetzen des Klopfens und es können die Kompressionsverhältnisse herauf gesetzt werden, wodurch sich sowohl die Kraftausbringung als auch die Effizienz vergrößern.
Das Volumen der Vorkammer wird kleiner sein als 2% des Volumens der Hauptverbrennungskammer und es kann so gering sein wie 0,5%. Dies ist deutlich kleiner als bei den zum Stand der Technik gehörenden Vorkammern, z. B. VW, mit 17 %, und Gussak mit 2 bis 3%. Die Anzahl der Vorkammeröffnungen 1a, die Form der Halsöffnung und deren Richtung in Bezug auf die Hauptkammer, kann unterschiedlich sein und für eine spezielle Konfiguration eines Motors optimiert werden. Diese Parameter werden ausgewählt, um sicherzustellen, dass der Zündungsstrahlen oder die aus den jeweiligen Öffnungen kommenden Strahlen in einem derartigen Maße in die Verbrennungskammer des Motors eindringen, dass eine effiziente Verbrennung maximiert wird. Bei dem Formen der Öffnung 1a sollten scharfe Kanten vermieden werden. Bei einer korrekten Auswahl der obigen Parameter dringt der Zündungsstrahl in eine Position ein, die ungefähr mit dem Zentrum des Zylinders übereinstimmt, und es wird dann festgestellt, dass die Zündung extrem regelmäßig ist. Um sicherzustellen, dass ein Strahlzündung des Gasstroms erfolgt, sollte die Öffnung den dimensionslosen Hals
aufweisen, der in dem Bereich von 0,3 bis 0,8 liegt.
In diesem Zusammenhang wird auf die Abb. 3a verwiesen, welche die Ergebnisse von Versuchen mit verschiedenen Vorkammeröffnungen zeigt, welche durch den dimensionslosen Halsparameter β "beta". beschrieben werden. Der Motor, an dem die Tests durchgeführt worden sind, war ein "Wakesha Cooperative Fuel Researoh Engine" (CFR), welcher für die Oktanbewertung von Benzin benutzt wird. Der Motor wurde bei 600 Umdrehungen/Minute betrieben; diese Geschwindigkeit wurde benutzt bei Forschungen bezüglich der Oktanzahlbestimmung. Das Timing der Zündung wurde in allen Fällen auf einen minimalen Vorschub für das beste Drehmoment (MBT) gesetzt, das Kompressionsverhältnis betrug 9 : 1 und der an die Hauptkammer gelieferte Brennstoff bestand aus Benzin. Alle Tests wurden bei weit geöffneter Drossel (WOT) durchgeführt. Das relative Verhältnis von Luft zu Brennstoff (auf einer Basis der Stöchiometrie von Luft zu Brennstoff) "lambda", ist manchmal auch bekannt als das Überschussverhältnis von Luft/Brennstoff, und dies ist die X-Achse der Graphiken. Der angegebene thermische Wirkungsgrad, welcher die Y-Achse der Graphiken darstellt, basiert auf dem (niedrigeren) Nettoheizwert des Brennstoffs. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die Halsgröße "beta" vorzugsweise in dem Bereich von 0,4 bis 0,7 für einen optimalen thermischen Wirkungsgrad liegen sollte, obwohl der Bereich von 0,3 bis 0,8 einen akzeptablen Wirkungsgrad liefert.
Abb. 4 zeigt eine die Erfindung verkörpernde Vorrichtung für eine experimentelle Zündung, welche benutzt wurde für die Versuche bei hoher Geschwindigkeit eines Einzylinder-CFR-Motors, der Methanolbrennstoff verbrennt. Die Zündvorrichtung enthält einen Körper 10 mit einem zylindrischen Teil 11 und im Innern desselben liegt ein Halseinsatz 12, der eine Auslassöffnung 13 mit einem Durchmesser von ca. 1.5 mm aufweist und der so eingelassen ist, dass er eine Vorkammer 14 mit einem Volumen von ca. 0,7 cc definiert. Dadurch wird ein Halsparameter β von ca. 0,4 hervorgebracht. Der zylindrische Teil 11 liegt einschraubbar in einem Adapter 15 ein, welcher seinerseits einschraubbar in der Öffnung der Zündkerze 16 in dem Zylinderkopf 17 des Motors drin liegt. Die Dichtungen 18, 19 und 20 sind so angeordnet, dass sie den Adapter 16 gegen den Zylinderkopf 17 abdichten und den Körper 10 gegen den Adapter 16, während die Dichtung 20 einen Wasserstoff-Gaseinspritzer 21 in einer Einspritzöffnung 22 abdichtet, welche in dem Körper 10 ausgebildet ist. Eine die Zündkerze aufnehmende Öffnung 23 in dem Körper 10 nimmt eine Zündkerze 24 auf, deren Elektroden in die Vorkammer 14 herausstehen.
In den Abb. 4A und 4B werden zwei bevorzugte Konfigurationen von Auslassöffnungen gezeigt, bei denen die einzige Öffnung 13, die in Abb. 4 gezeigt wird, durch höher entwickelte Konfigurationen von Mehrfachöffnungen ersetzt wird, welche verbesserte Ergebnisse erbringen.
In der Anordnung nach Abb. 4A, welche einen Teil einer Zündvorrichtung darstellt, welche entwickelt worden ist zum Ersetzen einer standardmäßigen Zündkerze in einem Motor mit 4 Ventilen pro Zylinder (wie z. B. in dem Lancia Motor mit einer Kapazität von 2,0 L), ist der Halseinsatz 12a als Gewinde 12b zum Eingriff in den Körperteil 11 der Zündvorrichtung aus Abb. 4, oder in einen geeigneten Ersatz für eine Zündkerze (nicht gezeigt) ausgebildet worden und wird mit einem konischen Einlassdurchgang 12c ausgebildet, welcher zu zwei winkligen Ausgangsdurchgängen 12d und 12e führt, die in ovalen Ausgangsöffnungen 12f und 12g enden. Wie gezeigt, befinden sich in der Endansicht zwei Blindlöcher für Montagezwecke. Der konische Einlassdurchgang 12c wird zur Reduzierung der Hitzeverluste in dem Zündungsstrahl bevorzugt, ein zylindrischer Durchgang erzielt jedoch auch akzeptable Resultate. Der dimensionslose Halsparameter dieser Öffnungsanordnung beträgt ca. 0,7 (der Bereich des Halses in der Formel für β wird durch den gesamten Halsoberflächenbereich ersetzt).
Die Winkel des konischen Einlassdurchgangs 12c und der Auslassdurchgänge 12c und 12e sind nicht kritisch und werden insbesondere von den Maßen des Einsatzes 12a und dem Abstand der Öffnungen 12f und 12g bestimmt. Jedoch werden die Auslassöffnungen 12f und 12g vorzugsweise auf einen Durchmesser des Einsatzes 12a angeordnet, damit ihre Orientierung entlang einer Linie möglich wird, welche ihre Zündungsstrahlen gegen den First des Pultdaches der Verbrennungskammer zwischen den Paaren der Einlass- und Auslassventile richtet; wie dies schematisch in dem Entwicklungsdiagramm der ursprünglichen Flamme von Abb. 4C gezeigt wird. In diesem Diagramm sind die Auslassöffnungen leicht versetzt gezeigt worden, und eine solche Anordnung kann übernommen werden, falls dies gewünscht ist. In der Abb. 4C werden die Einlassventile durch I identifiziert und die Auslassventile werden identifiziert durch E.
Bei dieser Anordnung fand man heraus, dass bei λ = 1,0 der Koeffizient der Änderungen in dem angegebenen durchschnittlichen effektiven Druck (DOV IMEP), der ein wichtiges Maß bei der Verbrennungsschwankung darstellt, von 7% bei der herkömmlichen Funkenzündung auf 3% reduziert wurde, und die Emissionen der Kohlenwasserstoffe (HC) wurden um 10% reduziert. Bei λ = 1,5 wurde eine 50%-ige Reduzierung der HC-Ausstöße erzielt, und CO und NOx wurden nahezu eliminiert, was sich deckt mit der vorherigen Erfahrung mit der Anordnung einer einfachen Düse. Die Treibstoffeffizienz verbesserte sich um bis zu 30% unter Bedingungen einer höchsten Belastung.
In einer weniger bevorzugten Ausführungsform der Abb. 4B, welche für Motoren mit engen Winkeln (z. B. 0- 15º) zwischen Einlass- und Auslassventilen geeignet ist, wird der Halseinsatz 12h wieder bei 12i mit einem Gewinde versehen, und ein konischer Einlassdurchgang 12j erstreckt sich ausgehend von einem ursprünglichen zylindrischen Durchgang 12k. Vier Auslassdurchgänge 121 erstrecken sich von dem Ende des Durchgangs 12j, um ovale Auslassöffnungen 12m zu formen, die so arrangiert sind, wie auf den wechselseitig senkrechten Durchmessern des Einsatzes 12h gezeigt wird.
In Abb. 4B wird in gestrichelten Linien der alternative zylindrische Einlassdurchgang 12n gezeigt, der aber aufgrund der höheren Kühlwirkung nicht so wirkungsvoll ist wie der konische Durchgang, der jedoch trotzdem akzeptable Ergebnisse liefert.
Falls gewünscht, kann die Vorkammer innerhalb des Zylinders oder als ein Beiwerk zu dem Zylinder geformt werden, obwohl diese Möglichkeiten weniger attraktiv sind, als wenn die Vorkammer in einem Zündkerzenkörper geformt wird.
Die Versuche, die mit dem oben beschriebenen Prototyp durchgeführt wurden, und von denen in der nachfolgenden Beschreibung gesprochen wird als von dem durch Wasserstoff unterstützten Strahlenzündungssystem (HAJI), beziehen sich aus zwei Gründen auf eine Motorengeschwindigkeit von 600 Umdrehungen/Min.: erstens ist es bei geringen Geschwindigkeiten und bei geringer Belastung wo die Änderung der Verbrennung am auffälligsten auftritt als Motorenstoß unter Belastung oder als Vibration im Leerlauf; zweitens ist dies die Geschwindigkeit für die Erforschung der Oktanzahlmessung (RON). Auf diese Weise können die Auswirkungen des Zündungssystems auf die Oktananforderungen oder spezieller auf das höchste anwendbare Druckverhältnis, als Ersatz für die Oktanzahl, identifiziert werden.
Eine große Zahl von Parametern kann für die Beschreibung der Schwankung bei der Motorenverbrennung angewandt werden. Diese können in Verbindung stehen mit dem Zylinderdruck p, mit der Größe oder der Synchronisierung der Druckeigenschaften, wie Spitzenwert p oder Maximalwert von dp/dt oder mit dem gesamten Druckwert des Zyklus (ws). Hier werden zwei Maßeinheiten verwendet: der Koeffizient der Schwankung bei dem Spitzendruck des Zylinders, COVp^ (Standardabweichung/Mittel) und der Koeffizient der Schwankung der angegebenen spezifischen Arbeit (oder i.m.e.p) pro Zyklus, COVwc. Schwankungen bzw. Änderungen in dem erstgenannten beeinflussen die maximalen strukturellen reaktionsfähigen Kräfte und die Spitzenzyklustemperaturen und Schwankungen in dem letztgenannten die Veränderung in dem angegebenen thermischen Wirkungsgrades ηj. Der angegebene Wert von wc wird lieber ausgewählt als der Bremswert, da die mechanische Effizienz des "Hochgeschwindigkeits"-CFR-Motors wegen der Ausgleichskolben und der Anordnung mit Antriebsriemen unüblich gering ist. Ausstöße von HC, CO und NOx werden ebenfalls auf einer angegeben spezifischen Basis, z. B. g/MJ dargestellt.
Der experimentelle Datenraum wurde in dieser Darstellung wie folgt begrenzt: Mischungszusammenstellung der Hauptkammer ausgedrückt als λ, das relative Verhältnis von Luft zu Brennstoff; drei vielfache Luftdrücke, 95, 73 und 50 kPa, beschrieben als bzw. volle, halbe und viertel Drosselung, Timing des Einspritzens von Wasserstoff θH2; die Menge der Wasserstoffeinspritzung dargestellt als ein Anteil der gelieferten Brennstoffmasse MH2 und das Druckverhältnis r. Das Timing des Funkens θign wurde immer angepasst für ein minimales Voreilen für einen besten Drehmoment (MBT); und das Timing der Einspritzung in die Hauptkammer fand statt bei einem maximalen Einlassventilhub (88º ATDC) für die optimale Effizienz bei einem CFR-Motor.
Die Auswirkung des Wechselns der Brennstoffzusammenstellung in der Hauptkammer für den Bereich von λ = 1 bis 3,5 bei voller Drosselung und für kleinere Bereiche bei teilweiser Drosselung wurden geprüft. Selbst bei voller Drosselung war es möglich, die Arbeit pro Zyklus wc (und das Drehmoment) zu vermindern auf Werte ohne Belastung durch Erhöhen des relativen Verhältnisses Luft/Brennstoff; während es sich herausstellt, dass die Magergrenze für diesen Motor mit normaler Zündung, die bei λ = 1,64 eintritt, gibt es jedoch keine Magergrenze bei der mit Wasserstoff unterstützten Strahlenzündung, HAJI, im üblichen Bereich von wc. Allerdings wurde beobachtet, dass es einige Vorteile bei der Drosselung des Motors gibt, wie zum Beispiel bei den niedrigsten Werten von wc, der thermische Wirkungsgrad η liegt hier höher bei einer viertel Drosselung. Mit HAJI liegt der thermische Wirkungsgrad η um ca. zwei Prozentpunkte über demjenigen des standardmäßigen Systems.
Die Spanne des Zündungstimings, welche erforderlich war für den Betrieb von voller zu keiner Belastung (wc - 820 bis 180 kJ/m³), stellte sich als gering heraus und verzögert im Vergleich zu der konventionellen Zündung. Bei voller Belastung liegt θign hinter TDC. Bei allen Betriebsbedingungen, wie ersichtlich in COVp^, wurde herausgefunden, dass sie sehr gering und nur leicht ansteigend beim tiefsten Wert von wc bei voller und halber Drosselung waren. Gewöhnlich hat der Motor bei leichter Beanspruchung einen COVp^ von ca. 0,2, mit einem standardmäßigen Zündungssystem. Während es eine im Wesentlichen regelmäßige Verbrennung bis zu dem Spitzendruck gibt, können Schwankungen von COVwc in den späteren Verbrennungsphasen von Gemischen, die magerer als diejenigen mit dem Maximum η sind, beobachtet werden. Das Versagen den ganzen Treibstoff der Hauptkammer zu verbrennen, mindestens in einigen Zyklen, wird durch eine Zunahme der spezifischen Emission von HC- und CO bei voller und halber Drosselung bewiesen, wie dies aus der Abb. 5 hervorgeht.
Die Vorteile eines magereren Betriebes, gut jenseits der standardmäßigen Magergrenze der Motoren, werden in Abb. 5 bewiesen, wo eine umfangreiche Anzahl von Abläufen bei spezifischen NOx Rauchgaswerten von 0,03 g/MJ oder viel weniger als 1/100 des Spitzenwertes für NOx hervorgestrichen werden. Unter diesen Bedingungen liegen die Konzentrationen bei dem NOx Ausstoß unter 1 ppm. Die Schwankung bei der Emission von NOx mit der Motorenkraft gemäß dieser Erfindung und für eine standardmäßige Verbrennung wird in Abb. 5A dargestellt.
Bei voller Drosselung werden diese niedrigen Werte von NOx erzielt, bei einem wc von weniger als 600 KJ/m³ (z. B. für Werte des Drehmoments die niedriger sind als 70% des Maximums), einem Punkt, bei dem HC und CO vergleichsweise niedrig liegen und der η für wc = 530 kJ/m³ und λ = 2,15 ist ein Maximum von 40%. Die maximale Effizienz bei halber und viertel Drosselung entspricht den sehr niedrigen NOx Werten, und der Vorteil der Drosselung liegt in der Vermeidung der sinkenden Effizienz bei voller Drosselung wenn λ > 3 und dem reduzierten Ausstoß von HC und CO unter Bedingungen einer leichten Belastung (wc).
Sehr geringe Mengen Wasserstoff wurden in die Vorkammer eingespritzt, um den sehr geringen NOx und einen hohen η Wert, wie in der Abb. 5 gezeigt, zu erzielen. Die Sensivität des Timings der Einspritzung von H2 in die Vorkammer (beeinflusst die Mischzeit) und der Menge derselben (beeinflusst die Stöchiometrie) wurde untersucht.
Die Sensivität der Motorenleistung gegenüber dem Timing der H2-Einspritzung für das Gemisch entsprechend der maximalen Effizienz bei einer jeden Position der Drossel wurde ebenfalls berücksichtigt, und es stellte sich heraus, dass η unabhängig von dem Timing bei voller Drossel ist, dass es jedoch einen kleinen Vorteil gibt (einen Anstieg von 2% bei η) für eine teilweise Drosselung, wobei ein 100º BTDC-Einspritztiming zur Anwendung kommt. Eine etwas beschleunigtere Einspritzung erfordert ein leicht beschleunigtes Funkentiming (das jedoch wesentlich geringer ist als dasjenige eines standardmäßigen Motors, das z. B. bei 38º BTDC bei einer viertel Drosselung liegt). Der Schwankungswert der Verbrennung als COVwc variiert leicht mit dem Einspritztiming, jedoch liegt er bei beschleunigter Zeit und halber Drossel COVwc nahezu doppelt so hoch wie bei der vollen Drosselung. Die Tendenz wird sogar noch offensichtlicher bei COVp^, wo das Minimum dicht bei dem Timing von 100º BTDC liegt. Es besteht sowohl für die Emissionen von HC als auch von CO der Trend zur Minimierung (Abb. 6) bei ansteigendem CO und HC.
Die Auswirkungen der Änderung der Menge H2 in der Vorkammer werden in den Abb. 7 bis 10 dargestellt. In Abb. 7 besteht eine Tendenz des leichten Anstiegs von η bei fallenden Mengen von eingespritztem H2. Das Zündungstiming (Abb. 7), COVwc (Abb. 8) und COVp^ (Abb. 9) weisen darauf hin, dass bei jeder Drosselöffnung ein Punkt erreicht wird, bei dem sich die Änderungen der Verbrennung erhöhen und es wird ein größerer Vorschub benötigt, um dies zu kompensieren. Dies stimmt widerspruchsfrei mit früheren Befunden überein, welche bedingte Proben der Ausstöße bei schnell und langsam brennenden Zyklen entnahmen. Entsprechend zu den Erhöhungen der Schwankungen gibt es bei den Emissionen einen Anstieg von HC und einen gewissen Anstieg bei CO.
Ein weiterer Vorteil des geänderten Zündungssystems ist die Erhöhung des höchsten verwendbaren Kompressionsverhältnisses, HUCR. In Abb. 10 wird der thermische Wirkungsgrad η für das standardmäßige Zündungssystem bei maximaler Effizienz (λ = 1,23) und maximalen Kraftgemischen (λ = 0,98) gezeigt, und die entsprechenden Werte (λ = 2,15) und (λ = 0,98) mit dem HAJI- System. Zusätzlich wird der Wert von η bei der alten maximalen Effizienz ("old max effy") λ = 1,23 mit dem HAJI- System ebenfalls zum Vergleich bei gleichem λ mit einbezogen.
Bei standardmäßiger Zündung liegt die Spitzeneffizienz bei maximaler Kraftmischung, wobei λ = 0,90 bei r = 9 ist. Bei r = 10 fällt η, weil ein Klopfen auftritt. Das HAJI-System bei r = 9 und mit λ = 1,23, welches das Optimum für ein Maximum von η bei standardmäßiger Zündung ist, zeigt einen absoluten Anstieg von nahezu 2% (oder einen relativen Anstieg von 5%). Dieser Anstieg wird angesehen als eine Auswirkung der schnelleren Verbrennungsgeschwindigkeit und die verbesserte Verbrennungsschwankung vermindert die allgemeinen Auswirkungen des Verlustes bei dem Verbrennungstiming. Ein weiterer Anstieg von λ zur Steigerung der Effizienz (auf λ = 2,16) ist möglich und erlaubt einen Anstieg von nahezu 2% zusätzlich bei η. Hinzu kommt, dass aufgrund der reduzierten Schwankung und der schnelleren Verbrennungszeiten die Abb. 10 zeigt, dass r auf 11 erhöht werden kann. Bei r = 12 wird ein Klopfen bei maximaler Kraftmischung festgestellt. Bei r = 11 und λ = 2,16 gibt es einen weiteren Anstieg von η um 3%. Die gesamte Verbesserung der maximalen Effizienz liegt bei knapp über 6% absolut, was einen relativen Anstieg von η um 15% darstellt. Die durch die Erfindung erzielte Verbesserung der Motorenkraft mit einem erhöhtes Kompressionsverhältnis wird in Abb. 11 dargestellt.
Die Angabe, dass die HAJI die konventionelle durch Kanal eingespritzte S.I. Motorenverbrennung bei Gemischen unterstützen kann, welche magerer sind als diejenigen die in der Literatur angegeben werden, ergibt sich aus dem Beispiel von 1200 Umdrehungen/Min. Motorengeschwindigkeit, wo ein COVp^ von unter 0,05 bei λ = 4,5 m aufrecht erhalten werden kann. Die benötigt Menge an Wasserstoff für die Aufrechterhaltung eines solchen Betriebs liegt bei ca. 1/10 der Menge, die man benötigen würde, wenn man denselben homogen gemischt mit dem Brennstoff zufügen würde. Es gibt einige Beweise einer erhöhten Schwankung, welche man der teilweisen Verbrennung in den ultramageren Gemischen zuschreiben könnte, da der COVwc auf Werte ansteigt, die der standardmäßiger Zündung zugeordnet werden. Allerdings werden die Zunahmen der Ausstöße an HC und CO unter Bedingungen der vollen und der halben Drosselung der Verdickung der Abschreckschichten an der Wand zugeschrieben, sowie der reduzierten Oxidation der Kohlenwasserstoffe in den umfangreichen Rissen des CFR-Motorenkolbens. Der Vorteil der Drosselung bei der Reduzierung des HC und CO ist das Ergebnis des erhöhten Anteils an heißen Rückständen in der Ladung, was die Zyklustemperaturen, wie nachgewiesen, um den zweifachen Anstieg von NOx von 0,6 auf 1,2 ppm erhöht, wenn die Drossel von der vollen Drosselung auf eine viertel Drosselung reduziert wird.
Der Grund dafür, dass das optimale H2-Einspritztiming erst relativ spät im Kompressionsvorgang eintritt (z. B. bei 100º BTDC), ist, bei früherer Einspritzung, dass die geringeren Zylinderdrücke es dem Wasserstoff ermöglichen in die Hauptkammer hinein zu fließen. Es ist wichtig festzustellen, dass, wenn es keinen Abfluss von Wasserstoff gibt, die Vorkammer bei allen dargelegten Werten an eingespritztem H2 reich an Brennstoff sein wird. Der Anstieg von COVp^ (Abb. 9) bei niedrigen H2-Werten, kann das Ergebnis einer Einspritzschwankung sein, weil diese eine minimale Öffnungszeit von 2 ms erreichte. Es stellt sich heraus, dass die extrem breitgefächerten Grenzen der Brennbarkeit des Wasserstoffs dazu führen den Prozess mäßig unempfindlich gegenüber der Menge des eingespritzten H2 zu machen.
Unsere Testergebnisse zeigten, dass das MBT- Funkentiming hinter dem TDC für maximale Kraftgemische lag. Dies ist ein unerwartetes Ergebnis, denn, da die Verbrennungsrate diejenige der Verbrennung eines konstanten Volumens bei den Otto-Zyklen erreicht, man erwarten würde, dass eine gleiche Verteilung des Verbrennungsprozesses rund um TDC zur einer Maximierung der Zyklusarbeit führen würde.
Die oben genannte Dokumentation des CFR-Motors, der bei bis zu 70% des maximalen Drehmoments mit NOx Ausstößen eng an dem Niveau der Umgebung arbeitet, ist ein äußerst ermutigender Befund, da die Extrapolation dieser erforschten Motordaten bei der Automobilanwendung die Forderungen nach einem stöchiometrischen Betrieb, wie er für den "3-Wege"- Katalysator erforderlich ist, ausschalten würde. Die durch Wasserstoff unterstütze Strahlenzündung, die hierfür verwendet wird, ermöglicht auch eine extrem stabile Verbrennung mit COV's von Spritzendrücken der Zylinder sowie einer spezifischen Arbeit pro Motorenzyklus, die um 50 bis 80% gegenüber den normalerweise mit diesem Motor erreichten Werten reduziert wird, wodurch ein erhöhter thermischer Wirkungsgrad bei einem ultraleichten Betrieb bei einem relativen Verhältnis Luft/Wasser von ca. 2 möglich wird sowie ein etwa zweistelliger Anstieg des höchsten nützlichen Kompressionsverhältnisses. Das Ergebnis stellt eine Verbesserung des maximalen angegebenen thermischen Wirkungsgrades von etwa 15% dar, gleichzeitig mit den niedrigen NOx Ausstößen. Die Emissionen von Kohlenwasserstoffen bleiben hoch und würden, falls eine Anwendung in Automobilmotoren erfolgen würden, eine nachherige Motorenreinigung erforderlich machen.
Es wurde ein nahezu kompletter Entfall der Schwankung der Leerlaufverbrennung durch unsere neue Art der "Strahlen"-Zündung unter Anwendung einer geringen Menge an zugesetztem Wasserstoff erzielt. Zur gleichen Zeit wurden auch geringe Ausstoßwerte beobachtet. Die Leerlaufstabilität wird die Fahreigenschaften des Fahrzeug beim Reisen mit geringen Motorengeschwindigkeiten und in hohen Gängen verbessern, wenn der Motor nahe bei der Geschwindigkeit des Leerlaufs betrieben wird. Zusätzlich werden sinkende Ausstöße während der Fahrzeugbremsung erzielt werden.
Folgende Schlussfolgerungen können aus unseren Ergebnissen gezogen werden:
1. Bei einem konventionellen Zündungssystem wird die Takt-zu-Takt-Veränderlichkeit (CBCV) durch das Wachstum des Zündungskern eingeleitet, anschließend an den Funken, im Verlaufe der Periode wenn der Flammenkern anwächst bis zu etwa der Skala der größten Wirbel. Man stellte drei Klassifizierungen für die Flammenkerne auf, und zwar (a) feststehende Kerne, (b) sich übertragende Kerne und (c) sich spaltende Kerne. Ein anschließendes langsames Brennen konnte bei feststehenden Kernen beobachtet, werden, während andere Typen von Kernen anschließend schnell brennen.
2. Ein neuer Weg zur Kontrolle der Schwankungen bei der Verbrennung für eine große Zahl von Äquivalenzverhältnissen in einem S.I.-Motor ist erzielt worden mit Hilfe der Strahlenzündung unter Einsatz kleiner Mengen von Zusätzen an Wasserstoff. Zur gleichen Zeit wurde sowohl die Effizienz verbessert als auch die Ausstöße deutlich reduziert. Es ist ein Hauptergebnis, dass sich die CBCV bei Magergemischen nicht erhöht hat, was sich von dem unterscheidet was bei konventionell gezündeten S.I.-Motor eintritt.
3. Ein ungedrosselter Betrieb in dem S.I.-Motor mit einer nahezu vollständigen Eliminierung von NOx Emissionen ist mit Hilfe dieser neuen Methode möglich, mit einigen Opfern bzgl. der Effizienz.
4. Die Schwankungen bei der Verbrennung im Leerlauf konnten nahezu eliminiert werden, zusammen mit einem niedrigen Niveau an Emissionen.

Claims

1. Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Verbrennungskammer mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen, einer Zündvorrichtung, die mit der Verbrennungskammer verbunden ist und eine kleine Vorkammer mit einem Volumen einschließt, das im Wesentlichen im Bereich von 0,5% bis weniger als 2% des Totraumvolumens der Verbrennungskammer liegt, und die Auslassöffnungen aufweist, einer Einrichtung zum Erzeugen eines schnell brennbaren, an Wasserstoff reichen Gemischs mit ungefähr dem 1,2- bis 7-fachen der stöchiometrischen Menge in der Vorkammer, einer Einrichtung zum Zünden des brennbaren Gemischs in der Vorkammer, wobei die Vorkammer und die Öffnungen so bemessen sind, dass sie einen dimensionslosen Halsparameter aufweisen

der im Wesentlichen im Bereich von 0,3 bis 0,8 liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer wenigstens ein Paar und nicht mehr als zwei Paar einander entgegengesetzt gerichteter Auslassöffnungen aufweist und die Zündvorrichtung so ausgerichtet ist, dass das wenigstens eine Paar Auslassöffnungen so angeordnet ist, dass ihre Zündstrahlen in Richtung einer ersten Linie verlaufen, die sich zwischen den Einlass- und den Auslassventilen in der Kammer erstreckt, um so die wirkungsvolle Verbrennung in der Verbrennungskammer zu fördern, und das zweite Paar Auslassöffnungen, falls es vorhanden ist, so angeordnet ist, dass ihre Zündstrahlen in Richtung einer zweiten Linie verlaufen, wobei sich die zweite Linie quer zu der ersten Linie erstreckt.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungskammer ein Pultdach mit einem First enthält, der sich zwischen den Einlass- und den Auslassventilen erstreckt und die Zündvorrichtung auf einer Linie ausgerichtet ist, durch die die Zündstrahlen über den First des Pultdachs zwischen den Paaren VDO Einlass- und Auslassventilen gerichtet werden.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Volumen der Vorkammer mehr als 0,5% und weniger als 0,8% des Volumens der Verbrennungskammer beträgt.

4. Motor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der dimensionslose Halsparameter der Öffnungen ungefähr 0,4 bis 0,7 beträgt.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das an Wasserstoff reiche Gemisch ungefähr dem Dreifachen der stöchiometrischen Menge entspricht.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorkammer als Teil einer Struktur ausgebildet ist, die mit der Standard-Zündkerzenöffnung eines Verbrennungsmotors in Eingriff kommt.

7. Motor nach Anspruch 6, wobei die Vorkammer einen Teil einer Zündkerzenstruktur bildet.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Einrichtung zum Erzeugen eines brennbaren Gemischs in der Vorkammer eine Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff, der Wasserstoff enthält, in die Vorkammer umfasst.

9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorkammer einen Reformingkatalysator und eine Heizeinrichtung enthält, um ein schnell brennendes Wasserstoffgemisch in der Vorkammer herzustellen.

10. Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Zündvorrichtung ein einzelnes Paar Öffnungen aufweist und das Paar Öffnungen auf einer Diametralachse der Zündvorrichtung angeordnet ist.

11. Motor nach Anspruch 10, wobei die Auslassöffnungen einen Einlasskanal enthalten, der zu einem Paar Auslasskanäle führt, die in dem Paar Auslassöffnungen enden.

12. Motor nach Anspruch 11, wobei die Auslasskanäle sich schräg von dem Einlasskanal zu den Auslassöffnungen erstrecken.

13. Motor nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der Einlasskanal umgekehrt kegelförmig ist.

14. Motor nach einem der vorangehenden Ansprüche, der zwei Paare Auslassöffnungen in entgegengesetzt gerichteten Paaren umfasst.

15. Motor nach Anspruch 14, wobei die Paare von Öffnungen jeweils auf einer Diametralachse angeordnet sind und die Achsen senkrecht zueinander sind.

16. Motor nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei die Auslassöffnungen oval geformt sind.

17. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit wenigstens einer Verbrennungskammer mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen, das die Schritte des Einleitens eines schnell brennbaren, an Wasserstoff reichen Gemischs mit ungefähr dem 1,2- bis 7 fachen der stöchiometrischen Menge in eine Vorkammer einer Zündvorrichtung, die mit einer Verbrennungskammer des Motors verbunden ist und ein Volumen hat, das im Wesentlichen im Bereich von 0,5% bis weniger als 2% des Totraumvolumens der Verbrennungskammer liegt wobei die Zündvorrichtung Auslassöffnungen hat, die einen dimensionslosen Halsparameter

aufweisen, der im Wesentlichen im Bereich von 0,3 bis 0,8 liegt, und des Zündens des Gemischs in der Vorkammer zum Erzeugen von Zündstrahlen umfasst, die an den Auslassöffnungen austreten, gekennzeichnet durch den Schritt des Bereitstellens wenigstens eines Paars und nicht mehr als zweier Paare entgegengesetzt gerichteter Auslassöffnungen aus der Vorkammer, aus denen Zündstrahlen in entgegengesetzten Richtungen austreten, wobei das wenigstens eine Paar Auslassöffnungen so angeordnet ist, dass die Zündstrahlen in Richtung einer ersten Linie verlaufen, die sich zwischen den Einlass- und den Auslassventilen in der Kammer erstreckt, um so die wirkungsvolle Verbrennung in der Verbrennungskammer zu fördern, und das zweite Paar Auslassöffnungen, falls es vorhanden ist, so angeordnet ist, dass ihre Zündstrahlen in Richtung einer zweiten Linie verlaufen, wobei sich die zweite Linie quer zu der ersten Linie erstreckt.

18. erfahren nach Anspruch 17, wobei die Verbrennungskammer ein Pultdach mit einem First enthält, der sich zwischen den Einlass- und den Auslassventilen erstreckt, und die Zündvorrichtung auf einer Linie ausgerichtet ist, durch die die Zündstrahlen über den First des Pultdachs zwischen den Paaren von Einlass- und Auslassventilen gerichtet werden.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Verbrennung motor einem der Ansprüche 2 bis 16 entspricht.