Die Erfindung betrifft die Erzeugung von homogenen Gemischen und ins¬ besondere ein Verfahren und einen Gemischbildner für die kontinuierliche Erzeugung von homogenen Gemischen mit frei wählbarer Zusammensetzung in einer Mischkammer mit einem Eintritt, einem Zuflussrohr, einem rotierenden Brennstoff-Verteiler und einem Gemischaustritt-

Sie betrifft ferner die Versorgung von Verbrennungskraftmaschinen mit zünd¬ fähigen Brennstoff-Luft-Gemischen durch externe Gemischbildung, insbesondere von Ottomotoren sowie ein Regelsystem, die insbesondere für die Versorgung von Ottomotoren mit mageren Brennstoff-Luft-Gemischen vorgesehen sind.

Es wurden verschiedene Einrichtungen für die Aufbereitung von Brennstoff- Luft-Gemischen vorgeschlagen, und in diesem Zusammenhang werden beispielsweise die folgenden Patentveröffentlichungen genannt: US 4 353 848, US 4 469 075, GB 1 588 856, DE 2 809 066 A1 , DE 3 024 181 A1 , WO 84/03735 A1 , WO 83/04282 A1 , WO 85/00412, CH 663 823, CH 606 784, EP 0 209 073 A2 und EP 0 208 802 A1.

Bei veränderlichen Betriebsbedingungen ist jedoch die Erfül lung der Bedin- gungen für die einwandfreie Verbrennung durch feinste Verteilung des Brennstoffs und gleichmässige Vermischung mit der Verbrennungsluft insofern besonders problematisch, als die erforderliche Zusammensetzung bei transien- ten Betriebszuständen nicht gewährleistet werden kann, wenn unkontrollierte Brennstoff mengen im Gemisch mitgeführt werden. Deshalb ist einerseits die einwandfreie Brennstoffregelung bei stark verän¬ derlichen Luftmengen und andererseits die Verwendung von möglichst ein¬ fachen technischen Mitteln von kritischer Bedeutung für den störungsfreien Dauerbetrieb von Kraftfahrzeugen im gesamten Betriebsbereich.

Kraftfahrzeuge mit Benzinmotorantrieb werden heute serienmässig mit dem bekannten geregelten Dreiweg-Katalysator ausgerüstet, um die gesetzlichen Vorschriften in bezug auf die zulässigen Schadstoff grenzen einhalten zu können.

Im Rahmen der anhaltenden Diskussionen über Massnahmen zur Verringerung der Schadstoffemission wird auch das sogenannte Magerkonzept genannt. Der Betrieb von Benzinmotoren mit mageren Brennstoff-Luft-Gemischen mit einem bedeutenden Luftüberschuss nach dem Magerkonzept bietet die Möglichkeit, die Schadstoffemission zu verringern und zugleich den Brennstoffverbrauch zu senken. Damit könnte der Benzinmotor verbrauchsoptimiert ausgelegt werden.

Das Interesse an der Entwicklung von sogenannten Magermotoren bzw. Magergemischmotoren d.h. von Ottomotoren, die mit überstöchiometrischen Luft-Brennstoff- Verhältnissen (Lambda- Werte erheblich grösser als 1) arbeiten, geht deutlich aus zahlreichen Veröffentlichungen hervor.

Ein Artikel von G. Lech und V. Harms in der Fachzeitschrift

"Motortechnische Zeitschrift", 47 (1986) 10, S. 423-427, betrifft die

Probleme der Magerverbrennung bei veränderlichen Luftverhältnissen (Lambda-Werten bis 1,7).

Die Erfordernisse für den Fahrzeugbetrieb mit Magermotoren sind jedoch besonders streng und teilweise widersprüchlich.

Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben nun gezeigt, dass die potentiellen Vorteile des Magerkonzepts für den Betrieb von Ottomotoren mit mageren Gemischen bei hohem Luftüberschuss nur dann erreicht werden können, wenn keine Schichtladungs-Verbrennung oder schichtladungsähnliche Drall-Verbrennung stattfindet, d.h. wenn die Verbrennung im ganzen Betriebsbereich des Motors gleichmässig erfolgt. Nur so kann erreicht werden, dass die Reaktionstemperatur • in der fortschreitenden Flammenfront gleichmässig, also homogen ist, keine örtlichen Spitzenwerte infolge inhomogener Ladungsverteilung im Brennraum aufweist.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, die kontinuierliche Erzeugung von homogenen Gemischen mit frei wählbarer Zusammensetzung, insbesondere von zündfähigen Brennstoff-Luft-Gemischen und die einwandfreie Gemischregelung unter Herabsetzung der Schadstoffemissionen und des Brennstoffverbrauchs mit relativ einfachen, betriebssicheren technischen Mitteln sicherzustellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, unter allen erforderlichen Betriebsbedingungen und insbesondere bei transienten Betriebszuständen die automatische Regelung der Gemischbildung durch die einwandfreie Zuflussregelung und feinste Verteilung von Brennstoff sowie die gleichmässige Vermischung mit der Verbrennungsluft bei veränderlichem Luftdurchsatz sicherzustellen.

Die Erfindung hat ferner die spezielle Aufgabe, die Versorgung von Verbrennungsmotoren mit mageren Gemischen sicherzustellen, die homogen sind und eine frei wählbare Zusammensetzung mit möglichst hohem Luftüberschuss aufweisen, um damit insbesondere den optimalen Betrieb von Ottomotoren im ihrem gesamten Betriebsbereich zu gewährleisten.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäss durch das Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, das Regelsystem nach Anspruch 8 und den Gemischbildner nach Anspruch 9 bis 18 gelöst. Das Verfahren für die Erzeugung von homogenen "Gemischen besteht erfindungsgemäss im wesentlichen in der Kombination der Vordosierung und axialen Einführung einer Komponente des Gemisch in den rotierenden Verteiler-Becher mit eigenem Motorantrieb einerseits und der feinen Verteilung dieser Komponente durch Fliehkraft mittels dieses Vertei ler- Bechers andererseits, um damit kontinuierlich homogene Gemische mit einer jeweils vorbestimmten Zusammensetzung zu erzeugen.

Für die Versorgung von Verbrennungskraftmaschinen wird der rotierende Verteiler-Becher vorteilhaft über einen vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine unabhängigen Motor angetrieben . und mit dosierten Brennstoff mengen versorgt, so dass die Zusammensetzung des jeweils erzeugten Gemischs im gesamten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine unabhängig von der Menge eingestellt werden kann.

Ferner wird für die Versorgung von Ottomotoren ein Brennstoff-Dosierventil in Wirkverbindung mit einer Gemisch-Regelklappe in einem im voraus abgegrenzten, bevorzugten Betriebsbereich des Ottomotors geregelt, wobei dem rotierenden Verteiler über das Dosierventil Brennstoff mengen zugeführt werden, die der jeweils verlangten Motorleistung entsprechend so anpasst sind, dass der Ottomotor bei jedem Betriebspunkt im genannten bevorzugten

Betriebsbereich optimal betrieben werden kann, wobei die Menge und die Zusammensetzung des Gemischs mit Hi lfe der Regelklappe in Verbindung mit dem Dosierventil fortlaufend dem jeweils gewünschten Betriebspunkt angepasst werden. Die Menge und die Zusammensetzung des Gemischs werden dabei mit Hilfe der Regelklappe in Verbindung mit dem Dosierventil fortlaufend dem jeweils gewünschten Betriebspunkt angepasst.

Die Regelklappe wird vorzugsweise bei jedem Betriebspunkt so einstellt, dass die Gemischbildung und der Transport des Gemischs in der Ansaugleitung des Ottomotors in den meisten Betriebspunkten des bevorzugten Betriebsbereichs annähernd bei Umgebungsdruck erfolgen kann.

Ottomotoren werden erfindungsgemäss vorteilhaft mit sehr mageren Gemischen mit einem Luftüberschuss von mindestens 50% versorgt, die nämlich einen Lambda-Wert von mindestens 1,5 aufweisen und vorzugsweise im Bereich von 1,8 oder höher liegen.

Dabei wird in dem bevorzugten Betriebsbereich des Ottomotors ein Motorkennfeld aufgestellt, das die optimale Einstellung der Regelklappe und des Brennsstoff-Dosierventils bei entsprechenden Betriebspunkten festlegt, so dass die Gemischaufbereitung und Versorgung im bevorzugten Betriebsbereich des Ottomotors annähernd bei Umgebungsdruck erfolgen, der Brennstoffverbrauch sowie die Schadstoffemission verringert werden kann.

Der Austritt der Mischkammer wird dabei vorzugsweise der Ansaugleitung angepasst, so dass der Transport des Brennstoffgemischs zum Ottomotor mit unerheblichem Druckverlust erfolgen kann. Der bevorzugte Bereich für den Betrieb des Ottomotors mit mageren Gemischen mit frei wählbarer Zusammensetzung und möglichst hohem Luftüberschuss kann vorteilhaft dadurch im voraus abgegrenzt werden, dass man bei unterschiedlichen Drehzahlen und Lasten den Betriebsbereich des Ottomotors schrittweise abtastet, wobei man jeweils den Brennstoffverbrauch, die Gemisch- und Abgaszusammensetzung und den Ansaugdruck ermittelt, in Verbindung mit dem Dosierventil die Regelklappe verstellt und ein Motorkennfeld aufstellt, das die optimale Stellung der Regelklappe bei entsprechenden Betriebspunkten festlegt, so dass bei m Betrieb mit möglichst hohem Luftüberschuss im bevorzugten Betriebsbereich

des Ottomotors die Gemischaufbereitung und Versorgung des Ottomotors im wesentlichen bei Umgebungsdruck erfolgt, der Brennstoffverbrauch verringert und die Schadstoffemission herabgesetzt werden kann.

Die vom Verbrennungsmotor jeweils angesaugte Luftmenge kann andererseits entweder direkt, beispielsweise mit Hilfe eines Hitzdrahtanemometers, oder indirekt über den gemessenen Ansaugdruck, die Temperatur und die Motordrehzahl genau ermittelt werden.

Das erfindungsgemässe Regelsystem weist vorteilhaft eine Datenverarbeitungseinheit mit einer Mikroprozessor-Einheit auf, die in Verbindung mit einer Datenspeichereinheit in Abhängigkeit der vom Ottomotor verlangten Leistung und der Motordrehzahl gleichzeitig das Brennstoff-Dosierventil und einen Stellmotor der Regelklappe sowie die Zündung des Ottomotors gemäss einem eingespeicherten Programm, das einem Kennfeld in dem im voraus abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors entspricht regelt.

Dabei empfängt die Mikroprozessor-Einheit nebst einem der vom Ottomotor verlangten Leistung entsprechenden Signal einerseits über entsprechende Sensoren am Ottomotor Eingabesignale, die mindestens die Motordrehzahl, den Ansaugdruck und die Temperatur des Ottomotors betreffen. Sie empfängt andererseits über Sensoren von aussen weitere Eingabesignale, die mindestens den jeweiligen Umgebungsdruck und die jeweilige Umgebungstemperatur betreffen.

Ferner gibt diese Mikroprozessor-Einheit in Verbindung mit der Datenspeichereinheit in Abhängigkeit der genannten Eingabesignale in dem bevorzugten Betriebsbereich des Ottomotors fortlaufend entsprechende Steuersignale für die Regelung des Brennstoff-Dosierventils, des Stellmotors der Regelklappe sowie der Zündung des Ottomotors ab.

Dabei definiert jeder Betriebspunkt die genaue Einstellung der Regelklappe, des Dosierventils und der Motorzündung durch im voraus bestimmte Werte der entsprechenden Steuersignale, so dass der Ottomotor im gesamten, bevorzugten Betriebsbereich mit Gemischen mit frei wählbarer Zusammensetzung und maximalem Luftüberschuss unter Verringerung des Brennstoffverbrauchs und der Schadstoffemission optimal betrieben werden kann.

Der erfindungsgemässe Gemischbildner umfasst im wesentlichen einen rotierenden Verteiler-Becher mit einem eigenen Antriebsmotor, einer Verteilplatte und einem Steigzylinder mit einer oberen Verteilkante, ein Zu¬ flussrohr mit einem Dosierventil und einen Ringraum zwischen dem Verteiler-Becher und der Wandung der Mischkammer, wobei das freie Ende des Zuflussrohrs berührungsfrei in den Verteiler-Becher hineinragt und seine Austrittsöffnung in einem axialen Abstand vom Verteiler-Becher angeordnet ist.

Der Verteiler-Becher weist vorteilhaft eine zentrale Vorkammer auf, die an einem Ende offen ist und am anderen Ende einen Boden aufweist, wobei das freie Ende des Zuflussrohrs berührungsfrei in die Vorkammer axial hineinragt und seine Austrittsöffnung im genannten axialen Abstand von diesem Boden zentral angeordnet ist.

Ferner ist eine Regelklappe mit einem Stellmotor vorzugsweise so vorgese- hen, dass die Zusammensetzung und die Menge des Gemischs durch das Dosierventil mit Hilfe dieser Regelklappe fortlaufend eingestellt und die Gemischbildung und der Transport des Gemischs annähernd bei Umgebungs¬ druck erfolgen können. Diese Regelklappe ist vorzugsweise im Bereich des Austritts der Mischkammer angeordnet. Die Mischkammer wird vorteilhaft mit dem rotierenden Verteiler derart aus¬ gelegt, dass sie einen aerodynamisch günstigen Strömungsweg zwischen dem Lufteintritt und dem Gemischaustritt begrenzen.

Untersuchungen im Rahmen der Erfindung haben gezeigt, dass die erfin¬ dungsgemässe Erzeugung von homogenen Gemischen die bei externer Gemischbildung ansonsten übliche störende Bildung eines Flussigkeitsfilms an Kanalwandungen praktisch beseitigt. Das könnte darauf beruhen, dass der flüssige Brennstoff extrem fein und gleichmässig im homogenen Gemisch verteilt wird und die Gemische bei hohem Luftüberschuss ungesättigt sind, wobei eine allenfalls auftretende, partielle Wandbenetzung rasch abgedampft wird.

Man könnte jedoch sicherheitshalber beim erfindungsgemässen Gemischbildner die Wandung der Mischkammer mit einem Heizmantel versehen, um damit durch Verdampfung jede Möglichkeit der Filmbiidung auf der Mischkammer¬ wandung auszuschl iessen.

Das freie Ende der Antriebswelle kann ferner ein axiales Sackloch aufweisen, das die genannte zentrale Vorkammer mit dem Boden bildet.

Der rotierende Verteiler-Becher kann vorteilhaft einen zentralen Hohlstutzen aufweisen, der die zentrale Vorkammer begrenzt, wobei die Antriebswelle mit dem Hohlstutzen eine ringförmige Zwischenkammer bildet, die über mindestens eine erste radiale Bohrung mit der zentralen Vorkammer und über eine zweite radiale Bohrung mit der Verteilfläche der Platte in Verbindung steht. Diese radialen Bohrungen können vorzugsweise einander diametral gegenüberliegend angeordnet sein. Der Antriebsmotor kann vorteilhaft unterhalb des Verteiler-Bechers angeordnet sein, wobei die Verteilkante freisteht und den Brennstoff radial abgibt, so dass dieser sich mit der umgebenden Luft vermischt.

Der Verteiler-Becher wird dabei vorteilhaft von einer Haube abgedeckt, die sich vom Lufteintritt der Mischkammer in Richtung der Verteilkante erweitert, so dass die Luft ungehindert dem rotierenden- Verteiler zugeführt wird.

Eine feststehende Verkleidung für die Halterung des Verteiler-Bechers kann vorteilhaft so vorgesehen werden, dass sie mit der Wandung der

Mischkammer einen stromlineienförmigen Ringkanal zwischen dem Lufteintritt und dem Gemischaustritt bildet.

Der Antriebsmotor kann ferner unterhalb des Verteiler-Bechers und mit diesem innerhalb der Verkleidung so angeordnet sein, dass das freie Ende der Antriebswelle nach unten gerichtet ist und in den Hohlstutzen des Verteiler-Bechers axial hineinragt, wobei dieser Becher unter dem Antriebsmotor am unteren Ende der genannten Verkleidung hervorsteht.

In diesem Fall kann die Antriebswelle durch den Antriebsmotor und den Hohlstutzen hindurch sich nach unten erstrecken und eine axiale Bohrung aufweisen und an ihrem unteren Ende geschlossen sein, so dass sie die zentrale Vorkammer bildet und das Zuflussrohr sich berührungsfrei durch diese axiale Bohrung nach unten erstreckt.

Gemäss einer anderen Ausführung, erstreckt die Antriebswelle sich durch den Antriebsmotor und den Hohlstutzen hindurch nach unten, wobei ihr unteres Ende ein Sackloch aufweist und damit eine unten offene Vorkammer mit einem oberen Boden bildet. In diesem Fall ragt das Zuflussrohr von unten her in diese Vorkammer hinein, wobei seine Austrittsöffnung im Abstand unterhalb des Bodens steht, die ringförmige Zwischenkammer sowie die radialen Bohrungen unterhalb der Austrittsöffnung angeordnet sind und das obere Ende des Zuflussrohrs mit einem Umlenkkopf versehen ist, der den austretenden Brennstoff abwärts zur ersten Bohrung umleitet.

Am unteren Ende dieser Vorkammer ist dann eine Abschlussbuchse mit einer axialen Bohrung so vorgesehen, dass das Zuflussrohr sich berührungslos durch diese axiale Bohrung erstreckt.

Die erfindungsgemässe Gemischbildung beruht insbesondere auf der kombinierten Wirkung der kontinuierlichen Dosierung und axialen Einführung des Brennstoffs in den rotierenden Verteiler-Becher mit Antriebsmotor einerseits mit der unmittelbar anschliessenden Abführung und Verteilung des Brennstoffs durch Fliehkraft andererseits.

Der Brennstoff wird hier einerseits im Zuflussrohr zunächst fortlaufend genau dosiert, aus diesem frei austreten und damit dem Verteiler-Becher axial zugemessen. Er wird andererseits unmittelbar vom rotierenden Verteiler-Becher erfasst, durch Fliehkraft zwangsläufig radial ausgebreitet, fein verteilt und mit dem umgebenden Luftstrom gleichmässig vermischt.

Diese Kombination ergibt nun erfindungsgemäss eine spezielle Wirkungsweise, die es nun ermöglicht, homogene Gemische kontinuierlich zu erzeugen, die Brennstoff menge unabhängig von der Luftmenge bei der Gemischbildung zu regeln, die Zusammensetzung und die Menge des erzeugten Gemischs fortlaufend durch ein Dosierventil in Verbindung mit einer Regelklappe genau einzustellen, nach Bedarf unverzüglich zu verändern und damit der jeweils verlangten Leistung eines Ottomotors so anzugleichen, dass die Gemischbildung und der Transport des Gemischs in der Ansaugleitung annähernd bei Umgebungsdruck erfolgen können.

Es hat sich nun praktisch erwiesen, dass die erfindungsgemässe Kombination der Brennstoffdosierung mit dem rotierenden Verteiler-Becher mit Antriebs¬ motor auch bei starken und raschen Veränderungen der Luftmenge, der Brennstoff menge und des Mischungsverhältnisses, die exakte Einstellung und sofortige Änderung der Gemisch-Zusammensetzung ermöglicht, wobei der rotierende Verteiler mit Antriebsmotor stets die genaue Dosierung und extrem feine und gleichmässige Verteilung des Brennstoffs und damit ein¬ wandfreie homogene Gemischbildung sicherstellt.

Versuche am Prüfstand haben ferner gezeigt, dass der erfindungsgemäss vorgesehene Gemischbildner mit dem rotierenden Verteiler-Becher und eigenem Antriebsmotor mit verschiedenen flüssigen sowie gasförmigen Brennstoffen in genau dosierten Mengen wirksam eingesetzt werden kann und in allen Fällen die einwandfreie Bildung von homogenen Gemischen sicher¬ stellt, die insbesondere für die Versorgung von Verbrennungsmotoren mit zündfähigen Gemischen jeder gewünschten Zusammensetzung in gesamten Betriebsbereich gut geeignet sind.

Als Brennstoff wird hier jeder geeignete flüssige oder gasförmige Brennstoff, Kraftstoff oder Treibstoff verstanden, der die Vorteile der erfindungs- gemässen Gemischbildung ergeben kann. Die mageren Gemische, die sich im Rahmen der Erfindung für die Ver¬ sorgung und den optimalen Betrieb von Ottomotoren eignen sind insbesondere solche Gemische mit sehr hohem Luftüberschuss von mindestens 50%, wobei sie vorzugsweise Lambda-Werte im Bereich von 1,6 bis 1,8 oder mehr aufweisen werden. Die erfindungsgemässe Gemischbildung wurde mit einem rotierenden Verteiler-Becher der nachstehend genauer beschriebenen Art durchgeführt, der mit einem elektrischen Antriebsmotor mit konstanter Drehzahl ausge¬ stattet ist, wobei die einwandfreie Gemischbildung und Regelung der Zusammensetzung des Gemischs in einem grossen Betriebsbereich sichergestellt werden konnten.

Der rotierende Verteiler-Becher kann ebenfalls mit einem Motor mit regel¬ barer Drehzahl angetrieben werden, um durch Steuerung der Drehzahl die optimal geregelte Gemischbildung in einem ausgedehnten Betriebsbereich weiter zu begünstigen.

Die Erfindung wird nun anhand von . Ausführungsbeispielen des

Gemischbildners näher erläutert, die in den bei liegenden Zeichnungen wie folgt schematisch dargestellt sind. Ähnliche Elemente haben überall in den Zeichnungen dieselben Bezeichnungen. Fig. 1 zeigt schematisch einen teilweisen Längsschnitt durch einen Gemischbildner nach einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 zeigt schematisch einen teilweisen Längsschnitt durch einen Gemischbildner nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 zeigt eine Variante des Ausführungbeispiels nach Fig. 2. Fig. 4 zeigt schematisch die Anordnung des Gemischbildners an einem Verbrennungsmotor.

Fig. 5 zeigt schematisch ein Regelsystem für den Betrieb eines Magermotors mit dem Gemischbildner.

Der in Fig. 1 dargestellte Gemischbildner hat einen relativ einfachen Aufbau und umfasst im wesentlichen eine Mischkammer 21 mit einem Lufteintritt 24 und einem Gemischaustritt 25, ein Zuflussrohr 10 mit einem Dosierventil 27, einen rotierenden Verteiler-Becher 1 mit einem Antriebsmotor 6 und eine Regelklappe 28 mit einem Stellmotor 29.

Fig. 1 zeigt den Verteiler mit einem rotierenden Verteiler-Becher 1, der auf der Antriebswelle 5 eines elektrischen Antriebsmotors 6 montiert ist, mit diesem in einer angenähert kugelförmigen Verkleidung 20 getragen und innerhalb der Mischkammer 21 axial angeordnet ist. Die Mischkammer 21 weist eine gewölbte rotationssymmetrische Wandung 22 auf, die der Verkleidung 20 angepasst ist, mit dieser einen stromlinienförmigen Ringkanal 23 bildet und mit einem schematisch angezeigten Heizmantel 26 versehen ist.

Das feststehende Zuflussrohr 10 in Wirkverbindung mit dem Dosierventil 27 erstreckt sich axial durch den Lufteintritt 24 in den Verteiler-Becher 1 hinein. Die Austrittsöffnung 11 des Zuflussrohrs 10 kann mit einem nicht gezeigten Rückschlagventil versehen werden, das sich bei Umgebungsdruck schliesst, wenn der 3rennstoffzufluss unterbrochen wird.

Eine konische Haube 30 überdeckt die offene Oberseite des Verteiler- Bechers 1 in geringem Abstand oberhalb der Verteilkante 16 des Bechers 1.

Der Lufteintritt 24 der Mischkammer 21 wird normalerweise an ein nicht dargestelltes Luftfilter angeschlossen, wobei der Gemischaustritt 25 hier an die schematisch angezeigte Ansaugleitung 31 eines Ottomotors angeschlossen wird.

Wie aus Fig. 1 ferner ersichtlich, sind die Wandung 22 der Mischkammer 21 und die Verkleidung 20 des Verteilers mit dem Antriebsmotor gewölbt ausgebildet und einander angepasst, so dass der Ringkanal 23 einen stromlinienförmigen bzw. aerodynamisch günstigen Strömungsweg zwischen dem abgerundeten Lufteintritt 24 um die Haube 30 und die Verkleidung 20 herum bis zum Gemischaustritt 25 ergibt.

Der rotierende Verteiler besteht aus dem oben offenen Verteiler-Becher 1 mit einem zentralen Hohlstutzen 2, einer ringförmigen Verteilplatte 3 und einem Steigzylinder 4 und ist auf der Antriebswelle ^" 5 des Motors 6 montiert.

Der Hohlstutzen 2 umschliesst hier das freie untere Ende der Antriebswe+fe 5, das ein axiales Sackloch aufweist und damit eine zentrale Vorkammer 7 begrenzt, die am oberen Ende offen ist und einen Boden 8 am unteren Ende des Sacklochs aufweist.

Das Zuflussrohr 10 ragt axial in die zentrale Vorkammer 7 berührungsfrei hinein, wobei seine feststehende zentrale Austrittsöffnung 11 in einem ausreichend grossen axialen Abstand vom Boden 8 der Vorkammer 7 steht, so dass der Brennstoff aus dieser Öffnung 11 in jeder gewünschten geregelten Menge ungehindert axial austreten kann.

Eine innere Ringnut ist ferner im Hohlstutzen 2 so vorgesehen, dass dieser mit dem rohrförmig ausgebildeten Ende der Antriebswelle 5 eine ringförmige Zwischenkammer 12 bildet, die mit der zentralen Vorkammer 7 über eine radiale Bohrung 13 im Bereich des Bodens 8 in Verbindung steht. Die Zwischenkammer 12 steht mit der Verteilfläche 14 über eine zweite radiale Bohrung 19 im Hohlstutzen 2 in Verbindung, wobei die Bohrungen 13 und 19 einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind.

Die Verteilplatte 3 des rotierenden Bechers 1 weist eine obere, ringförmige Verteilfläche 14 auf, die sich bis zum Fuss des Steigzylinders 4 erstreckt, wobei dieser eine nach oben sich erweiternde innere Steigfläche 15 aufweist. Das obere Ende der Steigfläche 15 ist ferner über eine radial nach innen ragende Überlaufkante 16 und eine anschliessende abgerundete Stirnfläche 17 mit einer Verteilkante 18 zuoberst an der Aussenseite des Steigzylinders 4 so verbunden, dass der durch Fliehkraft aufsteigende Brennstoff an der Überlauf kante 16 radial nach innen gerichtet, dann über die abgerundete Stirnfläche 17 radial nach aussen der Verteilkante 18 zugeführt, an dieser feinst verteilt und mit der umgebenden Luft gleichmässig vermischt wird.

Bei Betrieb des Gemischbildners dreht der Antriebsmotor 6 mit einer hohen Drehzahl von beispielsweise 10 000 U/min und der Brennstoff wird über das Dosierventil 27 und das Zuflussrohr 10 in genau geregelter Menge der zentralen Austrittsöffnung 11 zugeführt, fliesst aus dieser ungehindert in die Vorkammer 7, wird am Boden 8 radial nach aussen abgelenkt und durch Fliehkraft über die Bohrung 13, die Zwischenkammer 12 und die Bohrung 19 der Verteilfläche 14 der Platte 3 zugeführt.

Dadurch wird ein Brennstoff-Film gebildet, der sich auf der Verteilfläche 14 radial ausbreitet, an der konischen inneren Steigfläche 15 aufsteigt, über die Überlaufkante 16 nach innen umgelenkt und über die Stirnfläche 17 zur oberen Verteilkante 16 gelangt, wo der Brennstoff feinst verteilt und radial abgegeben wird.

Der Brennstoff- Verteiler ist damit so ausgelegt, dass sich der von der feststehenden zentralen Öffnung 1 1 frei austretende Brennstoff durch Fliehkraft nacheinander in der Vorkammer 7, in der Zwischenkammer 12, auf der Verteilfläche 14 und der Steigfläche 15 verteilt, in Form eines gleichmässigen Brennstoff-Films von sehr geringer Dicke der Überlaufkante 16 zugeführt und an der Verteilkante 18 zu extrem kleinen Brennstoff- Teilchen (z.B. Tropfen mit einer Grosse von 20 Mikron) verteilt, radial abgegeben und mit dem Luftstrom im Ringkanal 23 innig vermischt wird.

Durch diese Anordnung des Verteiler-Bechers 1 wird die über das Dosierventil 27 geregelte und aus der Öffnung 1 1 austretende Brennstoff menge fortlaufend durch Fliehkraft aus der zentralen Vorkammer 7 abgeführt, wiederholt verteilt, gleichmässig ausgebreitet und der inneren Überlaufkante 16 als extrem dünner Brennstoff -Film zugeführt, der an der

Stirnfläche 17 und der Verteilkante 18 vollständig zerteilt und radial abgegeben wird.

Diese spezielle Anordnung und Wirkungsweise des Verteiler-Bechers 1 ergibt eine gleichmässige Verteilung des Brennstoffs, wobei jede Diskontinuität ausgeglichen wird, die insbesondere infolge von transienten Effekten bei Veränderung des Betriebszustands bzw. der Brennstoffzufuhr auftreten und die Gemischbildung mehr oder minder beeinträchtigen können.

Der Brennstof fanteil im Gemisch wird dabei unabhängig von der angesaugten Luftmenge durch das Dosierventil 27 geregelt. Das auf ähnliche Weise in Fig. 2 schematisch dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1, wobei der 3rennstoff-Verteiler 1 jedoch in diesem Fall unterhalb des Antriebsmotors 6 angeordnet und aus der Unterseite der Verkleidung 220 hervorragt, die hier eine konische Haube 230 aufweist.

Ferner ist der Antriebsmotor 6 innerhalb dieser Verkleidung 220 umgekehrt angeordnet, wobei das freie Ende der Antriebswelle 250 nach unten gerichtet, von oben her in den Hohlstutzen 2 axial hineinragt und so gestaltet ist, dass es mit einem Bodenteil 80 auf ähnliche Weise die zentrale Vorkammer 270 mit dem Boden 280 und der seitlichen Bohrung 13 begrenzt.

Wie aus Fig. 2 ferner hervorgeht, ist die Oberseite der Verkleidung 220 und des Antriebsmotors 6 von einer konischen Haube 230 im Bereich des Lufteintritts 24 abgedeckt. Die Antriebswelle 250 weist eine axiale Bohrung auf, wobei sich das Brennstoff-Zuflussrohr 10 durch die Haube 230 und die Welle 250 berührungslos erstreckt und wobei der Brennstoff- Verteiler 1 mit einem unteren konischen Leitkörper 240 einen sich verjüngenden Ringkanal begrenzt. Bei der in Fig. 3 gezeigten Variante steht der Brennstoff-Verteiler 1 ebenfalls unter dem Antriebsmotor 6 am unteren Ende der Verkleidung 220 hervor, wobei das untere freie Ende der Antriebswelle 350 ein axiales Sackloch aufweist und damit eine unten offene Vorkammer 370 mit einem oben angeordneten Boden 380 und der radialen Bohrung 13 bildet.

Das Zuflussrohr 310 ragt hier von unten her axial in diese Vorkammer 370 hinein und seine Austrittsöffnung 31 1 ist in bestimmtem Abstand unterhalb des Bodens 380 angeordnet. Die radiale Bohrung 13, die ringförmige Zwischenkammer 12 und die radiale Bohrung 19 sind unterhalb dieser Austrittsöffnung 11 angeordnet, wobei hier eine konische Haube 340 am Zuflussrohr 31 montiert ist.

Ein Umlenkkopf 320 am oberen freien Ende des Zuflussrohrs 310 leitet den austretenden Brennstoff zum Umfang der Vorkammer 370 und abwärts zur ersten radialen Bohrung 13 um, wobei am unteren freien Ende der Antriebswelle 350 eine Abschlussbuchse 330 mit einer axialen Bohrung vorgesehen ist, durch die sich das feststehende Zuflussrohr 310 berührungslos in die Vorkammer 370 hinein erstreckt.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung des erfindungsgemässen Gemischbildners MFD an einem Magermotor LE, wobei hier vier Zylinder C1, C3, C2, C4 in ihrer Zündreihenfolge dargestellt sind.

Das Brennstoff-Luft-Gemisch wird kontinuierlich aus der vom Motor LE angesaugten Luft A und dem Brennstoff F im Gemischbildner MFD erzeugt und über die Ansaugleitung IM des Magermotors LE in den Zylindern C1-C4 verteilt, wobei die Zündung von einem Zünd-Steuersignal SC gesteuert wird. Dieser Gemischbildner MFD ist erfindungsgemäss wie beschrieben mit einem Dosierventil und einer Regelklappe ausgestattet und bildet einen geregelten Gemischbildner, der die Menge und die Zusammensetzung des Gemischs genau regeln und ohne zusätzliche Hilfsmittel allen erforderlichen Betriebszuständen des Mager motors LE optimal anpassen kann. Fig. 5 zeigt schematisch ein Regelsystem mit einem erfindungsgemässen Gemischbildner für die Versorgung eines Ottomotors mit mageren Brennstof f gern ischen mit frei wählbarer Zusammensetzung, wobei der Austritt der Mischkammer an die Ansaugleitung des Ottomotors LE angepasst ist. Das Regelsystem in Fig. 5 weist eine Datenverarbeitungseinheit mit einer Mikroprozessor-Einheit MPU auf, die in Verbindung mit einer Datenspeichereinheit DSEM (mit EPROM und RAM) in Abhängigkeit der vom Fahrzeuglenker verlangten Leistung des Ottomotors und der Motordrehzahl das Brennstoff-Dosierventil und den Stellmotor der Regelklappe des

Gemischbildners MFD sowie die Zündung des Ottomotors gemäss einem eingespeicherten Programm regelt, das einem Kennfeld in einem im voraus abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors entspricht.

Die Mikroprozessor-Einheit MPU empfängt neben dem der verlangten Leistung entsprechenden Signal DI einerseits über entsprechende Sensoren am Ottomotor LE Eingabesignale, die mindestens jeweils der Motordrehzahl RPM, dem Ansaugdruck IP und der Kühlwassertemperatur WT des Ottomotors entsprechen, und andererseits über Sensoren von aussen weitere Eingabesignale empfängt, die mindestens dem jeweiligen U mgebungsdruck AP und der jeweiligen Umgebungstemperatur AT entsprechen.

Die Mikroprozessor-Einheit MPU in Verbindung mit der Datenspeichereinheit DSEM gibt in Abhängigkeit dieser Eingabesignale DI, RPM, IP, WT, AP, AT, gemäss dem genannten Kennfeld in dem im voraus ^" abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors LE, fortlaufend entsprechende Steuersignale FM, MC und IC für die Regelung des Brennstof_f_-Dosierventils, des Stellmotors der Regelklappe des Gemischbildners bzw. der Zündung des Ottomotors ab.

Im abgegrenzten Betriebsbereich des Ottomotors definiert das genannte Kennfeld für jeden Betriebspunkt genau die Einstellung der Regelklappe, des Dosierventils und der Motorzündung durch im voraus bestimmte Werte der entsprechenden Steuersignale (MC, FM, IC), so dass der Ottomotor im gesamten genannten Betriebsbereich mit Gemischen mit frei wählbarer Zusammensetzung und maximalem Luftüberschuss unter Verringerung des Brennstoffverbrauchs und des Schadstoffemission opti mal betrieben werden kann.

Ein solches automatisches Regelsystem ermöglicht damit den optimalen Fahrzeugbetrieb mit mageren Brennstoffgemischen, hohem Wirkungsgrad und reduziertem Brennstoffverbrauch unter Herabsetzung der Schadstoffemission.

Man erzielt damit dank dem erfindungsgemässen, regelbaren Gemischbildner ein stark vereinfachtes Regelsystem, das mit Hilfe von nur drei Steuersignalen die optimale Regelung des Magermotor-Betriebs ermöglicht.

Dabei können sowohl die Zusammensetzung als auch die Menge des Brennstoff gemischs sowie die Zündung den optimalen Verhältnissen für den Betrieb des betreffenden Motors fortlaufend automatisch angepasst werden.

Die erfindungsgemäss vorgesehene Gemischaufbereitung und Versorgung von Ottomotoren mit mageren Brennstoff gern ischen .kann ferner mit geeigneten Mitteln und Massnahmen derart ergänzt werden, dass der Motor auch bei sehr geringen Lastwerten nach wie vor mit hohen Lambda- Werten angenähert bei Umgebungsdruck befriedigend arbeitet.

Zu diesem Zweck könnte beispielsweise eine variable Ventilsteuerung vorgesehen werden. Ferner könnte über eine entsprechende Rückleitung mit einem Steuerventil die selektive Rückführung eines geringen Teils der Abgase in die Ansaugleitung vorgesehen werden.

Der erfindungsgemässe Gemischbildner kann ferner dadurch ergänzt werden, dass ein Verdichter vor dem Lufteintritt des Gemischbildners bei sehr hohen Lasten derart zugeschaltet wird, dass das magere Gemisch nach wie vor den Betrieb bei hohem Lambda-Wert, vermindertem Verbrauch und herabgesetzter Schadstoffemission sicherstellen kann.

Das Regelsystem kann ausserdem derart ausgelegt werden, dass der Ottomotor bei sehr hohen Lasten nur kurzzeitig mit Gemischen bei niedrigem Lambda-Wert von etwa 1 versorgt werden kann.

Prüfstandversuche wurden im Rahmen der Erfindung an einem Benzinmotor mit einem regelbaren Gemischbildner gemäss Fig. 1 in Verbindung mit einem Regelsystem gemäss Fig. 5 durchgeführt.

Diese Untersuchungen wurden an einem Benzinmotor mit den folgenden Merkmalen durchgeführt: Hubraum 1 ,6 I, 4 Zylinder, 16 Ventile, Bohrung 80 mm, Hub 77 mm, Kompression 11 :1, zwei Nockenwellen, zentrale Zündeinrichtung.

Der Prüf stand motor wurde mit dem beschriebenen Gemischbildner, dem Regelsystem und den erforderlichen Messeinrichtungen ausgestattet, und auf einem Prüfstand mit üblicher Last-, Drehzahl-, Druck- und Temperaturerfassung betrieben, so dass die Belastungszustände nach dem FTP75-Zyklus auf dem Prüf stand simuliert werden können.

Das Regelsystem war bei den Prüf stand versuchen so kalibriert, dass im gesamten Bereich des Motorkennfelds mit Benzin-Luft-Gemischen ein Luftüberschuss eingehalten werden kann, der bei Lambda-Werten zwischen 1 ,6 und 1 ,8 liegt. Ferner wurde dem Prüf stand motor für die Oxydation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) ein relativ einfacher Oxydationskatalysator mit einer Umsetzungsrate von 70% nachgeschaltet.

Bei den Abgasmessungen am Austritt des Oxydationskatalysators wurden hier die gesamten unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC-Werte) einschliesslich Methan berücksichtigt.

Die Messungen beim Motorbetrieb im FTP75-Zyklus mit mageren Gemischen bei Lambda-Werten von 1,6 bis 1,8 zeigen, dass hinsichtlich der Emissionen (NOx, HC und CO) die USA-Normen LEV (Low Emission Vehicle) Standards oder sogar die ULEV (Ultra Low Emission Vehicle) nach dem "US 1990 Ciean Air Act" bei gleichzeitig stark reduziertem Verbrauch erreichbar sind und damit auch die CO„-Emissionen entsprechend reduziert wurden.

Der gemessene Benzinverbrauch im gesamten mageren Betriebsbereich liegt erheblich tiefer als bei einem herkömmlichen Motor mit 3-Weg-Katalysator. Ferner zeigt sich, dass die aus den Messungen ermittelten Kennlinien konstanten Verbrauchs mit zunehmenden Drehzahlen einen geringeren Anstieg als bei herkömmlichen Motoren mit 3- Weg- Katalysator aufweisen.

Zum Beispiel bei Lambda 1 ,7 und konstanter Drehzahl von 2000 U/min variiert der ermittelte Benzinverbrauch mit dem Mitteldruck (in Bar) zwischen 440 gr/kWh bei 1 Bar und weniger als 240 gr/kWh bei 5 Bar. In bezug auf die gemessenen Emissionen wäre zunächst zu bemerken, dass beim stationären Betrieb des Motors die NOx-Emissionen im oberen Last¬ bereich bei einem Mitteldruck von mehr als 3 Bar bei Werten von 0,2 bis 0,3 gr/kWh und im unteren Lastbereich bei einem Mitteldruck von weniger als 3 Bar bei 0,3 bis 0,6 gr/kWh liegen. Ferner wäre insbesondere zu bemerken, dass bei transienten Betriebs¬ zuständen keine Emissionsspitzen auftreten.

Es sei ferner bemerkt, dass man im gesamten Last- und Drehzahlbereich durch entsprechende Einstellungen, die NOx- Werte (nach dem CLD- Verfahren bestimmt) zwischen 20 und 50 ppm bewirken kann.

Die gemessenen HC-Emissionen liegen uneinheitlich im Motorkennfeld verteilt zwischen 0,25 und 1,2 gr/kWh mit einzelnen Ausnahmen bis auf 3 gr/kWh.

Die gemessenen CO-Emissionen liegen meistens unterhalb der Ansprech¬ schwelle (100 ppm CO) der verwendeten Geräte.

Die HC- und CO-Emissionen können durch den Einsatz eines Oxydations- ^\' katalysators mit einer höheren, heute üblichen Konvertierungsrate von mehr als 90% weiter stark reduziert werden.

Die gemessenen tiefen HC- und CO-Emissionen liegen bereits innerhalb der strengsten amerikanischen Normen (ULEV Standards) und können durch weitere Entwicklungen noch weiter stark reduziert werden. Der Sauerstoff-Anteil in den Abgasen beträgt ferner 5% bis 9% (auch im Leerlauf) und begünstigt damit den Einsatz eines Oxydationskataiysators mit Umsetzungsraten von mehr als 90% bereits bei Temperaturen um 200 °C.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen haben deutlich gezeigt, dass dank der erfindungsgemässen geregelten Versorgung des Benzinmotors mit mageren Gemischen mit frei wählbarer Zusammensetzung und mit sehr hohem Luftüberschuss (bei Lambda-Werten von 1,6 bis 1 ,8) bei diesem relativ ungünstigen US-FTP75-Zyklus die Stickoxid-Emissionen (bei Nachschaltung eines einfachen Oxydationskatalysators) sowie die Kohlenmonoxid-Emissionen unter die strengsten USA-Abgasnormen herabgesetzt werden können, wobei zugleich der Brennstoffverbrauch und damit die COp-Emission erheblich vermindert wird.

Im Rahmen dieser Prüfstandversuchen wurde ferner die erfindungsgemässe Gemischbildung und Versorgung beim Motorbetrieb unter Einsatz unter¬ schiedlicher Brennstoffe untersucht, unter anderem Normal-Benzin, n-Pentan, Propan und Butan.

Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass diese stark unterschiedliche Brennstoffe ohne bauliche Veränderungen des Gemischbildners, des Motors oder der Regeleinrichtung, eine einwandfreie, regelbare, homogene

Gemischbildung und Versorgung sowie den Betrieb des Prüf Standmotors im Magerbereich bei Lambda-Werten von 1 ,6 bis über 2,3 ergeben.

Die Erfindung bietet verschiedene technische, wirtschaftliche und ökologische Vorteile, die eng miteinander verknüpft und insbesondere für den optimalen Betrieb von Ottomotoren mit mageren Gemischen entscheidend sind und wie folgt kurz zusammengefasst werden können:

A. Steuerung der Zusammensetzung unter Gewährleistung einer einwandfreien Gemischbildung infolge genauer Dosierung und axialer Einführung des Brennstoffs in den rotierenden Verteiler-Becher. B. Steuerung der Brennstoffzufuhr unabhängig vom Luftdurchsatz in einem und unmittelbare Anpassung an die erforderliche Qualität und Menge des Gemischs.

C. Kontinuierliche Bildung von homogenen Gemischen frei wählbarer Zusammensetzung und Menge annähernd bei Umgebungsdruck. D. Gleichmässige Verbrennung homogener, zündfähiger Gemische im gesamten Brennraum.

E. Erhöhte Effizienz der Verbrennung durch die gleichmässigen Füllung des Brennraums mit homogenem Gemisch, wobei die Reaktionstemperatur gleichmässig ist und keine örtlichen Spitzenwerte infolge von Lambda- Variationen aufweist.

F. Die örtliche Reaktionstemperaturen bei der Verbrennung homogener Gemische entsprechen annähernd der adiabaten Flammentemperatur, die bei genügendem Luftüberschuss die untere Zersetzungsgrenze des Stickstoffs (höher als 1800 °C) nicht erheblich überschreitet. G. Verbrennungsmotoren können infolge der homogenen, genau regelbaren, externen Gemischbildung im gesamten Lastbereich bei sehr hohem Luftüberschuss und nur vernachlässigbarer Stickoxidemission optimal betrieben werden.

G. Die CO- und HC-Emissionen bei der homogenen Verbrennung dank einer solchen externen, homogenen Gemischbildung werden ferner weitgehend herabgesetzt und erfüllen bei Nachschaltung eines ungeregelten Oxydationskatalysators die strengsten internationalen Abgasvorschriften.

H. Der Ottomotor spricht sofort auf transiente Laständerungen ohne jegliche Brennstof fanreicherung an infolge der genauen, stufenlosen Regelung der Gemischqualität durch das Dosierventil in Verbindung mit der Regel¬ klappe. I. Der Brennstoffverbrauch wird erheblich vermindert dank der Gemischbildung annähernd bei Atmosphärendruck und der damit weitgehend verminderten Gaswechsel-Verluste und Wandwärme-Verluste infolge der tiefen Verbrennungstemperatur.

J) Homogene, zündfähige Gemische mit hohem Luftüberschuss werden allein mittels des rotierenden Verteilers mit Antriebsmotor bei allen Betriebszuständen des Ottomotors unabhängig von der angesaugten Luft¬ menge, annähernd bei Umgebungsdruck erzeugt.

K) Die genaue, stufenlose Regelung der Qualität und der Menge des Gemischs wird nur mit dem Brennstoff-Dosierventil in Verbindung mit der Regelklappe sichergestellt, wobei der Ottomotor mit mageren Gemischen praktisch bei Atmosphärendruck mit sehr hohem Luftüberschuss versorgt und optimal betrieben werden kann.

L. Der Verbrennungsmotor wird im gesamten Lastbereich mit sehr hohem, variablem Luftüberschuss unter Senkung des Brennstoffverbrauchs und erheb- licher Verbesserung der Abgasqualität effizient betrieben, so dass ein Reduk¬ tionskatalysator bzw. ein geregelter Dreiweg-Katalysator überflüssig wird.

Die Erfindung kann aus den oben erläuterten Gründen für den Betrieb von Ottomotoren mit sehr hohem Luftüberschuss bei Lambda-Werten im Bereich von 1,5 bis 1,8 und mehr mit besonderem Vorteil eingesetzt werden. Die erfindungsgemässe Erzeugung von homogenen Gemischen und die damit erreichte gleichmässige Verbrennung bietet gleichfalls wichtige praktische Vorteile für andere Anwendungen, nämlich für verschiedene Verbren¬ nungsprozesse deren Ablauf unter Verminderung des Brennstoffverbrauchs und der Schadstoffemission geregelt werden soll.