[0001] Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Benzinmotors
gemäss Oberbegriff von Patentanspruch 1 und auf einen Benzinmotor zur Durchführung
des Verfahrens.
[0002] In letzter Zeit hat die zunehmende Verkehrsdichte von Fahrzeugen und Maschinen mit
Benzinmotoren zu einer immer grösser werdenden Umweltbelastung geführt und andererseits
werden von Regierungen und Institutionen weltweit eine Flut von Vorschriften erlassen,
um den Verbrauch und den Schadstoffausstoss von Benzinmotoren zu senken. Bezüglich
Benzinmotoren wurden Katalysatoren entwickelt, um den Schadstoffausstoss, insbesondere
von Stickoxyden zu senken, während die Senkung des CO
2-Ausstosses im allgemeinen über die Senkung des Treibstoffverbrauchs bewirkt wurde.
[0003] Als z. Z. neueste Entwicklung wurde ein Fahrzeug mit einem Benzinmotor mit Direkteinspritzung
der Öffentlichkeit vorgestellt, bei dem Treibstoff mit einem relativ hohen Druck von
ungefähr 50 Bar direkt in den Zylinder eingespritzt wird, wobei das Luft-Benzin-Verhältnis
bis zu 40 : 1 betragen kann und eine für Benzinmotoren relativ hohe Verdichtung von
12,5 : 1 verwendet wird. Dieses wird bei diesem Fahrzeug als obere Grenze bezeichnet,
oberhalb der es zum Klopfen kommt, das auf eine unkontrollierte Verbrennung hinweist.
Mit diesem Motor wird laut Werksangaben der Verbrauch vermindert und die Leistung
erhöht.
[0004] Neben dem Benzinmotor gibt es den als Selbstzünder arbeitenden Dieselmotor, der ein
sehr hohes Verdichtungsverhältnis aufweist und keine Drosselorgane für Füllungsregelung
besitzt und daher mit hohem Luftüberschuss arbeiten kann. Daraus ist bekannt, dass
z. B. bei vergleichbaren Fahrleistungen ein im wesentlichen identisches Fahrzeug,
das mittels einem den derzeitigen Abgasnormen entsprechenden Benzinmotor angetrieben
wird, etwa 40 % mehr Kohlendioxid ausstösst, als wenn es mit einem ebenfalls den derzeitigen
Abgasnormen entsprechenden Dieselmotor angetrieben würde. Dabei kann in einem städtischen
Fahrzyklus dieser Unterschied über 60 % betragen. Es ist aber auch bekannt, dass bei
gleichen Betriebsbedingungen ein Dieselmotor mehr Partikel und Russ erzeugt als ein
Benzinmotor.
[0005] Aus der Literatur, z. B. aus Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Bosch, 19. Auflage
1984, ist ferner das sogenannte Hybridverfahren bekannt, wobei das Gemisch im Bereich
der Zündkerze so weit angereichert wird, dass eine sichere Entflammung garantiert
wird, die Verbrennung im Mittel aber bei stark abgemagertem Gemisch, das heisst bei
dieselähnlichen Teillastverbräuche stattfinden soll.
[0006] Des Weiteren sind aus obiger Literaturstelle Vielstoffmotoren bekannt, die teilweise
mit sehr hohen Verdichtungsverhältnissen von 25 : 1 arbeiten, aber mit einem Kraftstoff
mit sehr unterschiedlichen Qualitäten arbeitet, wie dies beim Militär nötig sein kann.
Beide Motorenformen haben sich aber in der Praxis nicht bewährt.
[0007] Es ist von diesem bekannten Stand der Technik ausgehend Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Benzinmotors sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit dem ein Benzinmotor wesentlich weniger
Kohlendioxid ausstösst als herkömmliche Benzinmotoren, ob mit oder ohne Direkteinspritzung
und wesentlich weniger Partikel und Russ erzeugt, als ein Dieselmotor unter vergleichbaren
Betriebsbedingungen. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäss dem unabhängigen
Patentanspruch 1 und der Vorrichtung gemäss dem unabhängigen Patentanspruch 4 gelöst.
Des weiteren wird auch die Aufgabe gelöst, Benzin mit niedrigeren Oktanzahlen als
gebräuchlich zu verwenden. Diese Aufgabe und weitere Aufgaben und Ausbildungen des
Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen gelöst, bzw. definiert.
[0008] Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf des Einbringens von Teilmengen Benzin
pro Arbeitstakt einer Zylindereinheit, und
Figur 2 zeigt in einem Benzinmotor schematisch einige für den erfinderischen Verbrennungsablauf
wesentliche Komponenten.
[0009] Benzinmotoren, nach ihrem Erfinder auch Otto-Motoren genannt, sind seit über 100
Jahren bekannt. Sämtliche Benzinmotoren weisen in der Regel pro Zylindereinheit mindestens
eine Zündkerze auf, die das Gemisch beim günstigsten Zeitpunkt zündet, da Benzintreibstoff,
im Gegensatz zum Dieseltreibstoff, ein weniger zündwilliger Treibstoff ist. Dadurch
war es bis anhin nicht möglich, einen Benzinmotor als Selbstzünder zu betreiben, d.
h. ohne Zündkerzen zu verwenden, wie dies beim Dieselmotor der Fall ist, denn bei
einem Verdichtungsverhältnis von über 12,5 : 1 beginnen unkontrollierte Selbstzündungen,
die zu Klopfen führen, die in einem Motor nicht mehr tolerierbar sind.
[0010] Die vorliegende Erfindung fusst auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, durch geeignete
zeitliche Steuerung des Einbring- und Verdichtungsvorganges einen Betrieb eines Benzinmotors
herbeizuführen, der ohne Zündkerzen auskommt und in der Regel auch keine Drosselorgane
zur Leistungsregelung benötigt.
[0011] Aus den 50er Jahren sind, beispielsweise aus den beiden Artikeln "Some Factors Affecting
Precombustion Reactions in Engines" von M.W. Corzilius et al., SAE Transactions, Band
61, 1952, Seiten 386 bis 401 sowie "Engine Knock as Influenced by Precombustion Reactions"
von J.M. Mason and H.E. Hesselberg, SAE Transactions, Band 62, 1954, Seiten 141 bis
150, Studien bekannt, die dazu dienten, das Entstehen und die Beseitigung des Klopfens
bei Benzinmotoren genauestens zu untersuchen. Diese Studien zusammenfassend kann gesagt
werden, dass dabei erkannt wurde, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen Voroxydationsprozesse
ablaufen, die ohne externe Zündmittel, nur durch Einwirken von Temperatur und Druck,
zum Entstehen einer sogenannten kühlen Flamme führen, die bei weiterem Verdichten
zur Selbstzündung der Ladung bzw. des Gemisches führen kann, die bei unkontrolliertem
weiteren Verlauf zu lästigem Klopfen führt. Dabei wird insbesondere auf Seite 148
des zweiten Artikels verwiesen, wo die Bildung von aktivem Klopfmaterial beschrieben
ist und auf Seite 141 dieses Artikels, wo die kühle Flamme und die Bildung von Aldehyden
und Peroxiden erläutert wird. Dies gilt auch für Seite 386 des erstzitierten Artikels.
[0012] Das Hauptziel der erwähnten Studien war, dieses Klopfen zu beseitigen, wobei nach
damaliger Erkenntnis die Beimengung von Bleizusätzen das beste Resultat brachte.
[0013] Wie aus der folgenden Beschreibung des erfindungsgemässen Verfahrens hervorgehen
wird, hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Entstehung von Vorverbrennungsreaktionen
dazu benutzt werden kann, einen klopffreien Verbrennungsvorgang auch ohne die Verwendung
von Zündkerzen durchzuführen. Das heisst mit anderen Worten, dass ein für herkömmliche
Benzinmotoren lästiger und schädlicher Vorgang dazu benutzt wird, eine wesentliche
Reduktion von CO
2 herbeizuführen und die Motor-Regelung zu vereinfachen.
[0014] In der nachfolgenden Beschreibung wird als bekannt vorausgesetzt, dass mit dem Ausdruck
Benzin ein in der Regel leichtflüchtiges Gemisch, das aus generell recht zahlreichen
verschiedenen Kohlenwasserstoff-Verbindungen besteht und u. a. auch Alkohol enthalten
kann, bezeichnet wird. Dabei werden auch minderwertige Benzine, bzw. Benzingemische
mit niedrigeren Oktanzahlen als beispielsweise an Zapfsäulen erhältlich in Betracht
gezogen, also Brennstoffe, die mit wesentlich geringerem Aufwand in der Raffinerie
hergestellt werden können und die ohne unerwünschte Verbrennungsabläufe, wie z. B.
Klopfen, verwendet werden können. Das heisst mit anderen Worten, dass eine Senkung
des Oktanzahlbedarfes des Benzinmotors ebenfalls im Rahmen vorliegender Erfindung
verwirklicht wird.
[0015] Beim Benzinmotor im Rahmen vorliegender Erfindung handelt es sich ganz allgemein
um eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit mindestens einer Zylindereinheit, die in bekannter
Weise Kurbelwelle, Kurbelgehäuse, Pleuel, Kolben, Zylinder, Zylinderkopf, Einlass-
und Auslassorgane sowie Brennstoffversorgungs- und -Dosiermittel aufweist. Im weiteren
wird diese Maschine vereinfachend als Benzinmotor bezeichnet.
[0016] Die vorliegende Erfindung kann zusammenfassend als Verbrennungsverfahren bezeichnet
werden, das sich zusammensetzt aus der Verwendung von Benzin, wie dies einerseits
bei sogenannten Otto-Motoren bekannt ist und andererseits aus der Selbstzündung des
Gemisches, wie dies bei sogenannten Dieselmotoren jeweils angewendet wird, wobei die
Verbrennungsabläufe sowohl beim Otto-Motor als auch beim Dieselmotor als bekannt vorausgesetzt
werden können.
[0017] Es wird der Einfachheit halber von einem Betriebsbereich des Benzinmotors ausgegangen,
der dem z. B. bei Personenwagen mit etwa 80 % meistbenutzten Betriebsbereich entspricht
und ungefähr im Bereich der halben Nenndrehzahl des Motors bei Maximalleistung und
ungefähr im Bereich des halben hier möglichen maximalen Mitteldruckes liegt.
[0018] In Figur 1 ist stark vereinfacht und schematisch das Einbringen von zwei Teilmengen,
TM1 und TM2, jeweils einer pro Arbeitstakt einer Zylindereinheit vorbestimmten Gesamtbenzinmenge
MG über der Kolbenstellung bzw. Kurbelwellenstellung - in Grad Kurbelwelle - dargestellt.
[0019] Die erste Fläche ist die Teilmenge TM1, die in diesem Falle schon während des Ausgangstaktes
in den Zylinderraum eingebracht wird. Die grössere Fläche ist die Darstellung der
zweiten und in der Regel grösseren Teilmenge TM2, die im Bereich der oberen Totpunktstellung
des Kolbens eingebracht wird.
[0020] Vorzugsweise wird die erste Teilmenge mit derselben Einspritzdüse eingebracht, mit
der auch die zweite Teilmenge TM2 einzubringen ist. Um im weiteren eine unerwünschte
Zylinderwandbenetzung mit Benzinnebel zu unterbinden, wird die erste Teilmenge während
des Verdichtungstaktes direkt in die Mulde eines Muldenkolbens eingespritzt, wobei
dieser Ablauf in Figur 1 mit der Fläche 1 dargestellt ist, siehe auch Figur 2.
[0021] Die Teilmenge TM1 kann mittels an sich bekannter Einbringmittel, wie z. B. Saugrohreinspritzung,
Direkteinspritzung oder auch Gleichdruckvergaser in mindestens einen Teil der für
den vorgesehenen Arbeitstakt der Zylindereinheit angesaugten Luftmenge eingebracht
und mit dieser mindestens teilweise vermischt werden. Das heisst mit anderen Worten,
dass die erste Teilmenge gezielt in die angesaugte Luftmenge eingebracht werden muss
und nicht an die Zylinderwand gelangen soll, da sie dort ungenutzt wird. Das heisst,
die Teilmenge sollte möglichst kompakt in ein Brennraumteilbereich eingebracht werden.
Im allgemeinen wird die Luftmenge ungedrosselt eingebracht.
[0022] Der Vorgang des Einbringens der ersten Teilmenge TM1 ist spätestens dann abgeschlossen,
wenn eine zweite vorbestimmte Teilmenge TM2 mittels Einspritzmittel und in gleicher
Weise wie sie bei Dieselmotoren bekannt ist, z. B. auch mittels "common rail", in
den Brennraum des Benzinmotors bzw. der Zylindereinheit eingebracht wird. Dadurch
werden bei genügend vorzeitigem Einbringen der ersten Teilmenge - z. B. schon während
des Ansaugtaktes oder bei Beginn des Verdichtungstaktes - während und insbesondere
in der zweiten Hälfte des Verdichtungstaktes der Zylindereinheit der Teilmenge TM1
mit der Luft Voroxydationsprozesse aufgezwungen, wie sie in den beiden vorgehend erwähnten
Literatur-Beispielen beschrieben sind.
[0023] Dabei entstehen sogenannte Vorverbrennungsreaktionen, die ohne externe Zündmittel
und nur durch Einwirken von Temperatur und Druck das Entstehen einer sogenannten kühlen
Flamme bewirken und bei weiterem Verdichten zur Selbstzündung der Ladung bzw. des
Gemisches führen können, wobei die erste Teilmenge der gesamten pro Arbeitstakt vorgesehenen
Brennstoffmenge so klein vorgesehen wird, dass keine der Zylindereinheit schädliche
Klopferscheinungen auftreten können, jedoch im Brennraum zahlreiche Vorverbrennungs-
und Teilverbrennungsmoleküle entstehen. Dadurch wird die notwendige Voraussetzung
dafür geschaffen, dass die durch Hochdruckeinspritzmittel eingespritzte und im Brennraum
zerstäubte zweite vorbestimmte Teilmenge TM2 des Benzins zumindest nahezu ohne unerwünschten
Zündverzug, also ohne unerwünschte Druckspitzen und damit verbundene klopfartige Geräusche,
Russ- und Feststoffbildung im Bereich der oberen Totpunktstellung des Kolbens verbrennt.
Zweckmässigerweise wird im Bereich des oberen Totpunktes, in einem Bereich von 6°
vor bis 10° nach dem oberen Totpunkt eingespritzt.
[0024] Dies insbesondere dann, wenn vorab im Brennraum der Zylindereinheit eine Drallströmung
der Ladung erzeugt wurde. Dabei wird ein Verdichtungsverhältnis von > 12 : 1, insbesondere
ein Verdichtungsverhältnis von 14 : 1 bis 20 : 1, vorzugsweise von 16 : 1 bis 19 :
1 verwendet und durch TM1 nur ein mageres Brennstoff-Luftgemisch aufbereitet, dessen
Brennstoff-Luft-Verhältnis, das sogenannten F : A-Verhältnis, z. B. bei maximalem
Mitteldruck < 0,03, vorzugsweise < 0,025 ist und gegen den Leerlaufbetriebsbereich
des Benzinmotors hin entsprechend noch wesentlich kleiner wird.
[0025] In Figur 2 ist eine schematisch dargestellte Brennraum-Konfiguration im Verdichtungstakt
gezeigt. Im Zylinder 2 bewegt sich ein Kolben 3, dessen Kolbenboden 4 eine Brennraummulde
5 aufweist, von einer unteren Totpunktstellung UT in Richtung der oberen Totpunktstellung
OT. Dabei nähert er sich dem Zylinderkopf 6, in welchem mindestens eine Einspritzdüse
7 und vorzugsweise auch eine Glühkerze wie z.B. eine Glühstiftkerze 8 angeordnet ist
bzw. sind. Auf die Darstellung von Kolbenringen, Ölabstreifringe, Kolbenbolzen usw.
wie auch Zylinderkopfdichtung, Verschraubung, Ein- und Auslassventile, Kanäle, Kühlungskanäle
usw. wurde zwecks deutlichem Hervorhebens des Wesentlichen verzichtet.
[0026] Die Einspritzdüse 7 hat einen vergleichsweise geringen Strahlöffnungswinkel α und
kann einen Hohlstrahlkegel, gegebenenfalls aber auch einen Vollstrahlkegel bilden
oder auch als Mehrstrahlkegel ausgebildet sein.
[0027] In der mittleren Kolbenstellung ist die erste Benzin-Teilmenge TM1 teilweise als
Film auf der Muldenfläche gezeigt und mit 9 bezeichnet. Ein weiterer Teil der TM1
ist aufgrund der Temperaturen der Muldenwand und der verdichteten Luft im Verdampfen
begriffen und noch ein weiterer Teil der TM1 bildet schon die erfindungsgemäss erwünschten
Verbrennungsprodukte und späteren Zündkerne 10 und sind gepunktet angedeutet.
[0028] Im Bereich der OT-Stellung wird die zweite Teilmenge TM2 eingespritzt und zerstäubt
und verbrennt zufolge der nun zahlreich vorhandenen Zündkerne ohne störenden Zündverzug.
[0029] Insbesondere bei Kaltstartvorgängen unterstützt die Glühstiftkerze 8 den Voroxydationsvorgang
und zwar besonders dann, wenn vorgesehen ist, dass im Zusammenwirken des Strahlwinkels
α und der Position der Glühstiftkerze ein kleiner Mengenanteil der Benzinmenge TM1
diese berührt.
[0030] In den Betriebsbereichen, die unterhalb und über dem zuvor beschriebenen Betriebsbereich
liegen, wird das jeweilige vorgesehene Gesamtvolumen des Benzins in unterschiedlicher
Weise auf die erste und zweite und ggf., für die Nachverbrennung, vorgesehene dritte
Teilmenge aufgeteilt.
[0031] Dabei ist es besonders zweckmässig und kostengünstig, wenn auch die erste Teilmenge
des Benzins mit denselben Einspritzmitteln erfolgt, die für das Einbringen der zweiten
Teilmenge vorgesehen sind, jedoch vorzugsweise zeitlich mehr vorgelagert als bisher
bei Dieselmotoren üblich ist, wodurch zudem die Einspritzdüse geringerer thermischer
Belastung ausgesetzt ist und somit weniger allfälligen Verkokungserscheinungen ausgesetzt
ist. Dabei kann es sich beispielsweise um an sich bekannte Zwei-Feder-Düsen oder um
elektronisch gesteuerte Düsen handeln, die bis in den Bereich von über 1'000 bar Einspritz-Druck
arbeiten können.
[0032] Es kann sich dabei auch als zweckmässig erweisen, bei nicht oder noch nicht benzintauglichen
Hochdruckeinspritzmitteln für Dieselmotoren wie Einspritzpumpen, Einspritzdüsen oder
bei "common rail"-Systemen und dergleichen dem Benzin in geringer Menge Schmieröl
beizugeben, z. B. im Verhältnis 1 : 100 oder weniger, um Fresserscheinungen an den
bewegten Teilen zu vermeiden. Auch ist es vorteilhaft darauf zu achten, insbesondere
beim Zuführen der ersten Teilmenge getrennt von der Einspritzdüse, welche die zweite
Teilmenge einbringt, dass die zweite Teilmenge mindestens so gross ist, dass diese
Düse nicht an ihrer Mündung überhitzt wird.
[0033] Für Kaltstartvorgänge ist es angebracht, pro Zylindereinheit eine Glühkerze, z. B.
Glühstiftkerze, vorzusehen, wie sie bei Dieselmotoren bekannt ist, wobei diese Glühstiftkerze
bevorzugt auch noch während des Warmlaufvorganges und/oder im Teillastbereich teilbeheizt
bleiben kann.
[0034] Falls man die Temperatur der Glühstiftkerze mit geeigneten elektronischen Steuermitteln
belastungsabhängig regelt, können auch niedrigere Verdichtungsverhältnisse von 12
: 1 verwendet werden.
[0035] Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet es auch, Benzine mit niedrigeren Oktanzahlen,
d. h. auch sogenannte minderwertige Benzine bzw. Benzingemische zu verwenden, wobei
das Verhältnis der ersten zur zweiten Teilmenge dann auch von der Art des Benzingemisches
abhängt. Der Benzinmotor gemäss dieser Erfindung benötigt in der Regel keine Drosselklappe
am Vergaser, da die Leistungsregulierung nur durch Verändern der jeweiligen Gesamtmenge
MG erfolgt. Dabei wird beim vorliegenden Benzinmotor die Gesamt-Benzinmenge mengengeregelt
und nicht füllungsgeregelt wie dies bei Otto-Motoren der Fall ist. Da das beschriebene
Verbrennungsverfahren nicht klopfbegrenzt ist, eignet es sich auch für aufgeladene
Benzinmotoren, z. B. mit Turboladern oder mit Druckwellenladern.
1. Verfahren zum Betrieb eines Benzinmotors mit mindestens einer Zylindereinheit und
Mittel zum Einbringen von Benzin in den Zylinder-Raum, dadurch gekennzeichnet, dass
in einem ohne Zündkerzen betreibbaren und ein Verdichtungs-Verhältnis von über 12
: 1 aufweisenden Motor eine erste vorbestimmte Teilmenge (TM1) Benzin der jeweils
pro Arbeitstakt und Zylindereinheit gesamthaft vorbestimmten Gesamtmenge (MG) Benzins
mit Einbring-Mittel in mindestens einen Teil der für die jeweils pro Arbeitstakt und
Zylindereinheit gesamthaft angesaugten Luftmenge in den Verdichtungsraum des Zylinders
zur Bildung von Vorverbrennungsprodukten eingebracht wird, wobei die erste Teilmenge
(TM1) so klein gehalten ist, dass kein Klopfen entsteht und anschliessend mindestens
eine zweite vorbestimmte Teilmenge (TM2) Benzin mit Hochdruck-Einbring-Mitteln in
den Brennraum im Bereich der oberen Totpunktstellung des Zylinderkolbens eingebracht
wird, wobei sie mit geringem Zündverzug verbrennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Benzinmotor ein Verdichtungsverhältnis
von 12 : 1 bis 20 : 1, vorzugsweise von 14 : 1 bis 20 : 1, insbesondere 16 : 1 bis
19 : 1, verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilmenge
(TM2) Benzin im Bereich von 6° vor bis 10° nach dem oberen Totpunkt eingespritzt wird.
4. Benzinmotor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit
mindestens einer Zylindereinheit und Benzin-Einbringmitteln, dadurch gekennzeichnet,
dass der keine Zündkerzen und ein Verdichtungsverhältnis von mindestens 12 : 1 aufweisende
Motor Benzin-Einbringmittel (7) enthält, die ausgebildet sind, mindestens zwei Teilmengen
Benzin (TM1, TM2) dosiert und in einer bestimmten zeitlichen Reihenfolge in den Verdichtungs-
bzw. Brennraum (5) des Zylinders (2) einzubringen.
5. Benzinmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringmittel Einspritzpumpen,
Einspritzdüsen oder "common rail"-Systeme umfassen.
6. Benzinmotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringmittel
Zwei-Feder-Düsen oder elektronisch angesteuerte Düsen sind.
7. Benzinmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass pro Zylindereinheit
eine Glühkerze, insbesondere Glühstiftkerze (8), vorgesehen ist.
8. Benzinmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind, um
die Temperatur der Glühstiftkerze (8) in Abhängigkeit der Motorlast zu steuern.
9. Benzinmotor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er mengengeregelt
ist und keine Drosselklappe am Vergaser aufweist.