Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit homogener Gemischbildung mit dem Ziel, die bei der Kraftstoffverbrennung entstehenden Schadstoffemissionen, insbesondere Stickoxide (NOx) und Rußpartikel, zu reduzieren.

Im allgemeinen entstehen bei den bislang technisch eingesetzten Verbrennungsver¬ fahren mit den dort realisierten Vorrichtungen zur inneren oder äußeren Gemisch¬ bildung unabhängig vom Arbeitsprinzip der Verbrennungskraftmaschine und des dabei eingesetzten Gasgemisches (Ottomotor = Benzin/Luft, Dieselmotor = Diesel¬ öl/Luft usw.), das zur Gewinnung von mechanischer Arbeit durch thermische Oxida- tion des Kraftstoffes der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, unerwünschte Abgasemissionen aufgrund einer unvollständigen Verbrennung der als Kraftstoff eingesetzten Kohlenwasserstoffe (KW). Diese Emissionen mindern die Güte der Verbrennungsvorgänge innerhalb der Verbrennungskraftmaschine und senken de¬ ren Gesamtwirkungsgrad. Als häufigste Abgasemissionen entstehen bei der Verbrennung von KW neben CO2 und HC u.a. Stickoxide und Rußpartikel. Diese Schadstoffe belasten die Umwelt und haben eine schädigende Wirkung für Men¬ schen, Tiere und Pflanzen, wobei die besonders von Dieselmotoren emittierten Rußpartikel nach neuesten wissenschaftlichen Untersuchungen im Verdacht ste¬ hen, ein kanzerogenes Potential zu besitzen. In Deutschland wurden in 2003 allein für den Betrieb von Dieselmotoren in Lkw und Pkw ca. 27 Mio. t Dieselöl ver¬ braucht, was insgesamt beim derzeitigen Stand der Motortechnik zu einer Rußparti- kelemission von ca. 23.000 t führte. Die Emission von Stickoxiden erreichte im gleichen Zeitraum für Pkw und Lkw einen Wert von insgesamt 565.000 t, wobei al¬ lein Fahrzeuge mit Dieselmotoren mit 493.000 t einen Anteil von fast 90 % hatten.

Mittels Methoden auf Seiten der Gemischbildung wie Optimierung der Einspritzung des Kraftstoffes oder mit innermotorischen Maßnahmen wie Mehrventiltechnik, spe¬ ziell ausgelegte Techniken zur Abgasrückführung und Abgasturboaufladung konn¬ ten die derzeit vom Gesetzgeber festgelegten Abgasgrenzwerte gerade bis Euro-HI erfüllt werden. Vor dem Hintergrund der weiter steigenden Anforderungen jedoch werden zukünftige Abgasgrenzwerte nicht ohne weitere und aufwendigere Ma߬ nahmen, zu denen eine Weiterentwicklung der Abgasrückführung zusammen mit einem Partikelfilter oder der NOx-Speicherkatalysator zählen, eingehalten werden können.

Wesentlich bessere Abgaswerte werden hingegen von einem alternativen Verbren¬ nungsverfahren, der homogenen Dieselverbrennung nach dem HCCI-Prinzip (Ho- mogeneous Charge Compression Ignition) erwartet, zu dem eine Vielzahl von neueren Arbeiten und Veröffentlichungen vorliegen. Bei diesem Verfahren wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch mit möglichst homogener Konzentrations- und Temperatur- Verteilung in den Brennraum eingebracht und mittels Kompressionszündung ver¬ brannt. Auf Grund der Vermeidung von örtlichen Spitzentemperaturen sowie fetter Anteile innerhalb des Gemisches, die im wesentlichen für die Bildung von NOx und Rußpartikeln verantwortlich sind, wird eine weitgehend ideale Verbrennung herbei¬ geführt, bei der in nur geringem Umfang Schadstoffemissionen auftreten.

So wird in DE 198 04 988 C1 ein Verfahren für einen mit einem homogenen Ge¬ misch betriebenen Verbrennungsmotor offenbart, bei dem mittels eines steuerbaren Stellelementes eine dynamische Anpassung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses er¬ folgt.

Ein weiteres Verfahren nach DE 195 43 219 C1 verwendet einen gesonderten NOx- Sensor, mit dem unter Verwendung eines Speicherkatalysators und mittels weiterer innermotorischer Maßnahmen die NOx-Konzentration im Abgas begrenzt bzw. die diskontinuierliche Regeneration des NOx-Speicherkatalysators eingeleitet wird.

In DE 195 19 663 A1 wird ein weiteres Verfahren für eine homogene Gemischbil- düng offenbart, bei dem eine äußere Gemischbildung mit anschließender zusätzli¬ cher Einspritzung einer Zusatzmenge von Kraftstoff, mit der die Selbstzündungsbedingung erreicht wird, verwendet wird.

Die DE 101 47 529 A1 offenbart ein Verfahren für eine Brennkraftmaschine mit zu- mindest annähernd homogenem Kraftstoff-Luft-Gemisch, das bei weitgehender Selbstzündung des Gemisches auch die gesteuerte Zündung durch eine im Brenn¬ raum integrierte Fremdzündungseinheit vorsieht.

Ein Kraftstoffzuführsystem, bei dem für eine fremdgezündete Verbrennungskraft- maschine sowohl der Kraftstoff als auch Luft unter Druck dem Brennraum über ein Einblasventil zugeführt wird, ist aus EP 308 467 B1 bekannt. Die Gemischbildung erfolgt hier in einer innerhalb des Einspritzventiles liegenden Gemischbildungs¬ kammer, der gleichzeitig die komprimierte Luft zur Gemischaufbereitung zugeführt wird.

Eine Verbrennungskraftmaschine mit hybrider Verbrennung nach dem HCCI- Prinzip, bei der die äußere Gemischbildung mit zündunwilligen und leichtflüchtigen oder gasförmigen Kraftstoffen (Benzin, Alkohole, Erdgas und Propangas) oder auch mit Dieselkraftstoff unterhalb der Selbstzündungskόnzentration und die innere Ge- mischbildung durch Einspritzen von Dieselkraftstoff erfolgte, ist u.a. aus der Veröf¬ fentlichung „Hybrid Combustion Engine with Premixed Gasoline Homogeneous Charge and Ignition by Injected Diesel Fuel - Exhaust Emission Characteristics,, von Yonetani, H., Hara, K. und Fukutani, I., SAE-Paper 940268 bekannt. Die dort be¬ schriebenen Untersuchungen zur hybriden Verbrennung wurden meist primär mit dem Ziel durchgeführt, die Emission der Rußpartikel bei der Dieselverbrennung zu - A -

reduzieren. Allerdings ist bei den untersuchten Gemischbildungen zu beobachten, dass mit der Rußpartikelreduzierung ein teilweiser Anstieg der NOx-Emission ein¬ hergeht.

Zu ähnlichen Ergebnissen kommt die zur Simulation und Modellierung der homoge¬ nen kompressionsgezündeten Verbrennung durchgeführte Untersuchung „A Multi¬ Zone Model for Prediction of HCCI Combustions and Emissions,, von Aceves, S. M.,. Flowers, D. L., Westbrook, C. K., Smith, J. R., Pitz, W., Dibble, R., Christensen, M. und Johansson, B., SAE-Paper 2000-01-0327.

Den derzeit aktuellen technischen Entwicklungsstand für eine Verbrennungskraft¬ maschine nach dem Otto-Prinzip mit homogener Selbstzündung dokumentiert die Untersuchung „CSi - Ein kostenorientiertes Ottomotor Gesamtsystem mit homoge¬ ner Selbstzündung,, von Fürhapter, A., Piock, W. F., Unger, E. M. und Fraidl, G. K., VDI-Berichte Nr.1808, 2003, in der ein mit hohem technischen Aufwand realisiertes Motorkonzept vorgestellt wird, das zwischen den Betriebsarten mit Kompressions¬ zündung (HCCI) und Selbstzündung (HCSI) nach Kriterien umschaltet, die dyna¬ misch aus vorher ermittelten Kennfeldem für Emissionen und Temperatur der Verbrennung abgeleitet wurden.

Den vorliegenden Verfahren und Untersuchungen ist zu entnehmen, dass das Ziel einer weitgehend idealen homogenen Verbrennung bei einer gleichzeitigen Redu¬ zierung von NOx- und Rußemission mit den derzeit zur Verfügung stehenden Me¬ thoden und Anordnungen zur Gemischhomogenisierung nur unzureichend realisiert werden kann oder nur auf bestimmte Betriebsbereiche der Verbrennungskraftma¬ schine begrenzt bleibt. Zudem wird bei den zur Abgasnachbehandlung im Abgas¬ strang angeordneten Systemen keine Erhöhung des Wirkungsgrades erzielt, da ein entsprechend hoher Anteil der Energie innerhalb der nachgeschalteten Vorrichtun¬ gen zur thermischen und katalytischen Nachbehandlung benötigt wird und ein er- höhter Abgaswiderstand eine Verminderung des Wirkungsgrades der thermischen Energieumsetzung zur Folge hat.

Aus diesen Gründen ist eine vollständige und ideale Verbrennung des Kraftstoffes mit homogener Konzentration anzustreben, wobei die Gemischbildungsvorgänge unabhängig von der Verbrennung ablaufen und so der Kraftstoff vollständig vom Luftsauerstoff oxidiert und ohne Bildung unerwünschter Verbrennungsbestandteile wie Ruß, NOx und HC verbrannt wird. Bekanntlich weist das homogene Gemisch mit einem Luftverhältnis λ>1 grundsätzlich keine Orte fetten Gemisches mit λ<1 auf, so dass die Bildung von Rußpartikeln weitgehend verhindert wird. Zudem treten auf Grund des Luftüberschusses keine lokalen Temperaturspitzen mit T>2000 K auf, die für die Entstehung von NOx verantwortlich sind. Idealerweise zündet ein homogenes Gemisch als Raumzündung an unendlich vielen Orten gleichzeitig so¬ wie als Gleichraumprozess sehr schnell und vollständig. Neben einem niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch werden wesentlich reduzierte Schadstoffemissio- nen erzielt, so dass vielfach aufwendige Abgasnachbehandlungssysteme nicht mehr erforderlich sind.

Die bisher bekannten Verfahren und Einrichtungen sind zur Bereitstellung eines weitgehend idealen homogenen Gemischs jedoch nicht, nur mit Einschränkungen oder nur unter Zuhilfenahme von aufwendigen Zusatzaggregaten, mit erheblichen Modifikationen an der Mechanik der Verbrennungskraftmaschine sowie mit Steuer¬ einheiten, die zunehmend komplexer werden und damit unter dem Aspekt der Ge¬ samtwirtschaftlichkeit problematisch sind, in der Lage.

Die homogene Verbrennung als nahezu stickoxid- und rußfreies Brennverfahren kann nach dem derzeitigen Stand der Entwicklung daher nur in einem engen Mo¬ torkennfeldbereich realisiert werden und stellt hohe Anforderungen an die Steue¬ rung des Verbrennungsablaufes. Insbesondere die Anwendung der homogenen Verbrennung bei Verbrennungsmaschinen nach dem Otto-Prinzip stellt höhere An- sprüche an die Betriebsfestigkeit des Motors, da bei dieser Betriebsart wesentlich höhere Zylinderdruckgradienten als bei konventioneller Verbrennung entstehen. Zudem ist der Zündzeitpunkt mit den derzeit vorhandenen Mitteln nicht reproduzier¬ bar steuerbar, da dieser im wesentlichen vom Homogenisierungsgrad und Zusam¬ mensetzung der Ladung im Arbeitszylinder abhängt. Um diesem zu begegnen, müsste das Verdichtungsverhältnis deutlich angehoben werden und insbesondere Fremdenergie zugeführt werden, um den gut hömogenisierbaren aber relativ zünd¬ unwilligen Benzinkraftstoff durch Kompressionszündung verbrennen zu können. Ohne weitere Zusatzmaßnahmen wie z.B. variables Verdichtungsverhältnis und variable Ansaugluftvorwärmung wäre eine kompressionsgezündete Verbrennungs- maschine nach dem Otto-Prinzip nicht sicher zu betreiben.

Es kann daher festgehalten werden, dass der Betrieb einer Verbrennungskraftma¬ schine mit homogener Verbrennung sowohl nach dem Diese!- als auch nach dem Otto-Prinzip mit den derzeit zur Verfügung stehenden Methoden nicht zufrieden stellend darstellbar ist und nach einem neuen Brennverfahren mit grundlegender Änderungen der Gemischaufbereitung verlangt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine anzugeben, das bzw. die eine verringerte Schad- Stoffemission bei günstiger Energieausnutzung bietet.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 20 gelöst. Vorteil¬ hafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Beim Verfahren nach der Erfindung erfolgt eine homogene Gemischbildung, die sich für Verbrennungskraftmaschinen nach dem Dieselprinzip mit Kompressions¬ zündung und für fremdgezündete Motoren nach dem Ottoprinzip eignet. Darüber hinaus ist dieses Verfahren für die Vielzahl der derzeit aktuellen neuen Motorkon¬ zepte, insbesondere nach dem HCCI-Prinzip sowie für derzeit noch im Entwick- lungsstadium befindliche zukünftige Hybridkonzepte anwendbar, bei denen wesentliche Eigenschaften sowohl des Ottoprinzips als auch des Dieselprinzip in einem Entwurf vereinigt werden. Der besondere Vorteil des Verfahrens ist darin zu sehen, dass zum einen bestehende Motorkonzepte mit einfachen konstruktiven Maßnahmen, die selbst für Antriebsmotoren von Altfahrzeugen im Rahmen der Nachrüstung geeignet sind, erweitert werden können. Zum anderen bietet sich das erfindungsgemäße Verfahren auf Grund der universellen Verwendungsmöglichkeit aber auch für einen grundsätzlich neuen und optimierten Entwurf und für die Reali¬ sierung zukünftiger Motorkonzepte an.

Ein wesentliches Merkmal dieses Verfahrens ist die Abkehr von der herkömmlichen Methodik, die bei der äußeren Gemischbildung beim Ottomotor und bei der inneren Gemischbildung beim Dieselmotor in derzeit bestehenden Konzepten angewendet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Bildung des Kraftstoff- Luft-Gemisches in zwei Schritten, die hinsichtlich der jeweils einzelnen Schritte va- riabel und optimierbar sowie unabhängig von der Art der Verbrennungskraftmaschi¬ ne bzw. des Kraftstoffes sind. Ein Hauptproblem der bislang eingesetzten Verfahren und Vorrichtungen stellt insbesondere die Bildung von hinreichend fein verteilten Kraftstoffpartikeln mit möglichst kleiner Tröpfchengröße dar, die idealerweise bis zum gasförmigen Zustand des Kraftstoffes gehen sollte und der mit den derzeitigen Einrichtungen nur sehr unvollkommen für die Vielzahl von Betriebsbedingungen einer Verbrennungskraftmaschine herstellbar ist.

Hier nun greift das erfindungsgemäße Verfahren ein, indem für die Aufbereitung des Kraftstoffes ein spezielles Trägergas eingesetzt wird, das in einem ersten Ver- fahrensschritt auf Grund seiner besonderen spezifischen Eigenschaften zur Vorbe¬ reitung einer homogenen Konzentration von Kraftstoff und Luft im Brennraum dient und das bei der thermischen Energieumsetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches we¬ der eine physikalische noch eine chemische Reaktion eingeht. Gleichzeitig erfüllt dieses Trägergas mehrere elementare und für das Verfahren unabdingbare Anfor- derungen bzw. Eigenschaften. Hierzu zählt als erstes die Unbrennbarkeit bis zu Temperaturwerten, die in den Brennräumen bei der Verbrennung von Kraftstoff- Luftgemischen entstehen. Als zweite wesentliche Eigenschaft weist dieses Träger¬ gas ein reaktionsunfähiges bzw. inertes Verhalten unter sämtlichen bei der Verbrennung vorkommenden physikalischen und chemischen Zuständen auf, so dass keine zusätzlichen und unerwünschten Reaktionsprodukte im Verbrennungs- prozess entstehen. Darüber hinaus weist das Trägergas die Funktion als Träger der Fremdenergie auf, die notwendig ist, um den vernebelten Kraftstoff in die Gasphase zu überführen, so dass nunmehr ein Gemisch aus Trägergas und Kraftstoffgas vor¬ liegt, welches für eine homogene Verbrennung benötigt wird. Dieser Vorgang der Umsetzung von Kraftstoffnebel in Kraftstoffgas wird auch als Konditionierung des Kraftstoffs bezeichnet. Eine weitere wesentliche Eigenschaft beruht darauf, dass das Trägergas die Homogenisierung, d. h. die möglichst gleichverteilte Konzentrati¬ on des Kraftstoffes innerhalb der verfahrensbedingt erzeugten Kraftstoffgasphase bewirkt. Weiterhin muss das Trägergas im Anschluss daran eine stabilisierende Funktion dahingehend ausüben, dass die einmal erzielte Konditionierung des Kraft- Stoffes in Form eines homogenen Kraftstoffgases sich nicht rückbilden kann, da das Trägergas eine Rekombination der entstandenen Kraftstoffmoleküle verhindert. Ei¬ ne weitere Funktion besteht in einer inneren und äußeren Isolierung auf Grund ei- . ner geringen spezifischen Wärmeleitfähigkeit, so dass die erreichte Temperaturverteilung innerhalb des konditionierten Kraftstoffgas-Trägergas- Gemisches örtlich und zeitlich weitgehend konstant bleibt. Abschließend dient das Trägergas auch zum Transport des Kraftstoffes in den Brennraum der Verbren¬ nungskraftmaschine, der unter Nutzung der isolierenden Eigenschaften auch über größere Strecken ohne Gefahr einer Kondensation des Kraftstoffes an den Innen¬ wänden der Zuleitungen erfolgt.

Als Trägergas wird im Hinblick auf die vorgenannten Eigenschaften und Anforde¬ rungen ein Gas aus der Reihe der Edelgase vorgeschlagen, wobei das Edelgas Argon sämtliche Anforderungen besonders gut erfüllt und daher bevorzugt wird. Hierbei ist von besonderer Bedeutung, dass Atome eines Edelgases generell kei- nerlei Verbindung mit Atomen anderer Stoffe bzw. Gase eingehen, ausschließlich zu Verbindungen im Sinne der allgemeinen Edelgaschemie neigen, in molekulare und atomare Strukturen anderer Stoffe eindringen und teilweise innerhalb von Mo- lekülketten anderer Stoffe mechanisch gefangen gehalten werden können. Zusam¬ men mit den geforderten Eigenschaften der Unbrennbarkeit, Reaktionsunfähigkeit und Konstanz des physikalischen Zustandes, die zudem bis weit über die innerhalb einer Verbrennungskraftmaschine auftretenden Temperatur- und Druckwerte hin- aus gehen, machen dieses Edelgas Argon zu einem optimalen Trägergas.

Da in der Natur Argon mit dem Isotop 40Ar im Vergleich mit anderen Edelgasen ei¬ nen insgesamt hohen Anteil an der Erdatmosphäre von 1 ,3 Gewichts-% bzw. 0,94 Volumen% aufweist, eignet es sich besonders für die relativ einfache und preis- günstige Gewinnung aus der Umgebungsluft.

Diese spezifischen Eigenschaften werden vorteilhaft für die Bereitstellung eines homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches dadurch ausgenutzt, dass das Trägergas zur Konditionierung des Kraftstoffes herangezogen wird, indem dieses unter Luftab- Schluss bzw. bei einem Sauerstoffgehalt, der unterhalb der für die Selbstzündung notwendigen Zündgrenze liegt, mit dem durch eine konventionelle Einspritzdüse aufbereiteten Kraftstoff bei einer Temperatur zusammengeführt wird, die oberhalb der maximalen Siedetemperatur des Kraftstoffes und z.B. für Dieselkraftstoff ca. 430 °C beträgt. Das dem eingespritzten Kraftstoff gleichzeitig oder mit geringer zeit- licher Verzögerung zugesetzte heiße Trägergas besetzt zunächst die Bausteinlü¬ cken der beispielsweise bis zu 300 im Dieselkraftstoff vorkommenden verschiedenen KW-Verbindungen (auch Kraftstoffkomponenten genannt) und trennt bereits hier die in dieser Phase als Kraftstoffnebel vorliegenden Kraftstoffpartikel voneinander. Im weiteren zeitlichen Ablauf durchdringt das Trägergas mit einzelnen Gasatomen die Kraftstoffpartikel und bereitet die weitere Konditionierung dadurch vor, dass die Anhaftung der unterschiedlichen langkettigen Kohlenwasserstoffmole¬ küle des Kraftstoffes untereinander reduziert bzw. völlig verhindert und für die da¬ nach einsetzende Verdampfung vorbereitet wird, bei der als erstes die leichter siedenden Komponenten in Abhängigkeit vom Sättigungsdampfdruck in die Gas- phase übergehen. Die einzelnen Kraftstofftröpfchen, die innerhalb des Trägergases mit homogener Konzentration stabilisiert bleiben, werden hierbei zunächst durch das gleichzeitig eingeleitete vortemperierte Trägergas homogen aufgeheizt.

Alternativ wird in einer Variante des Verfahrens das Trägergas unmittelbar vor oder nach dem Einspritzen des Kraftstoffes zugesetzt oder innerhalb des Einspritzvor- ganges durch eine integrierte Zuleitung innerhalb der Einspritzvorrichtung als allei¬ niges oder zusätzliches Medium zur Zerstäubung des Kraftstoffes verwendet. Innerhalb eines nach dem Einspritzvorgang gebildeten Kraftstofftröpfchens bildet sich nunmehr durch freie Konvektion ein zeitlich veränderliches Temperaturfeld und ein Strömungsfeld in Folge des daraus resultierenden Dichtefeldes aus. Innerhalb dieses Feldes beginnt die Verdampfung jedes einzelnen Tröpfchens, sobald der Sättigungsdampfdruck der jeweiligen Kraftstoffkomponente erreicht ist. Es stellt sich somit aus der Flüssigkeitsphase der Tröpfchen mit abnehmendem Durchmesser eine zunehmende Konzentration der gasförmigen Phase ein. Diese grundsätzlich ablaufende Gasbildung wird durch zwei wesentliche Eigenschaften des Trägerga- ses ermöglicht. Zum einen verläuft die Gasbildung durch die hohe Eigentemperatur des umgebenden Trägergases bedingt in kurzer Zeit, da dessen Wärmeinhalt für die vollständige Konditionierung des Kraftstoffes ausreichend hoch ist. Zum ande¬ ren bleibt während der Gasbildung die Konzentration des Kraftstoffgases weiter homogen, da unmittelbar eine stabile Durchsetzung des Kraftstoffgasfeldes durch das Trägergasfeld stattfindet. Das Verfahren führt somit zu einer extrem raschen Umsetzung der flüssigen Phase des Kraftstoffes in eine Gasphase. Diese Gaspha¬ se besteht mit definierter Konzentration aus einem homogenen Gemisch von Kraft¬ stoffgas und Trägergas, bei dem die einzelnen Komponenten mit einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion als quasi kontinuierlich verteilt beschrieben wer- den können. Das in diesem Verfahrensschritt nahezu ideal vorbereitete Kraftstoff¬ gas-Trägergas-Gemisch wird mit einem Druck und einer Temperatur, deren Werte in Abhängigkeit vom Arbeitsprinzip der Verbrennungskraftmaschine, der Schad¬ stoffemission und dem Verlauf der Verbrennung dynamisch variabel gesteuert oder geregelt werden, für die nachfolgenden Schritte in einer Gemischkammer vorgehal- ten, die entweder zentral mit entsprechend ausgelegtem Volumen angeordnet oder mit wesentlich geringerem Volumen jedem einzelnen Brennraum dezentral zuge¬ ordnet sein kann. Die dezentrale Anordnung der Gemischkammer bietet den Vor- teil, dass auf Grund des nur geringen erforderlichen Volumens eine Integration in¬ nerhalb der dem Brennraum zugeordneten Kraftstoffeinspritzvorrichtung möglich ist, so dass die Funktionen Einspritzen des Kraftstoffes, Zufuhr des Trägergases, Kon¬ ditionierung des Kraftstoffes und anschließende Einspritzung in den Brennraum in einer kompakten Einheit zusammengeführt werden können. Innerhalb der zentralen oder dezentralen Gemischkammer wird die einmal herbeigeführte homogene Kon¬ zentration durch das Trägergas stabilisiert und aufrecht erhalten, so dass Tempera¬ tur- und Druckänderungen keine Rückbildung der Gasphase bzw. Dehomogenisierung herbei führen.

Für die spätere Verbrennung des Kraftstoffes wird in einem getrennten Behälter atmosphärische Luft als Oxidationsmittel, bedarfsweise angereichert mit dynamisch variablen Abgasanteilen, d.h. mit Abgasanteilen, die vom aktuellen Betriebszustand abhängen, mit einer Temperatur und einem Druck aufbereitet, deren Werte in Ab- hängigkeit vom Arbeitsprinzip der Verbrennungskraftmaschine, der Schadstoffemis¬ sion und dem Verlauf der Verbrennung dynamisch variabel gesteuert oder geregelt werden. Die Zusammenführung von Kraftstoffgas-Trägergas-Gemisch und aufberei¬ teter Luft geschieht mit großer Variabilität je nach Erfordernis des Arbeitsprinzips der Verbrennungskraftmaschine zu einem hinsichtlich der Schadstoffemission opti- malen Verbrennungszeitpunkt und -ort. Die für die Bildung eines homogenen Kraft¬ stoff-Luft-Gemisches erforderliche homogene Vermischung des Kraftstoffgas- Trägergas-Gemisches mit der aufbereiteten Luft verläuft ohne weitere spezifische Zwischenschritte nach den allgemeinen Gasgesetzen auf Grund der variabel und teilweise dynamisch einstellbaren Dichte-, Druck- und Temperaturgradienten ab. Die innerhalb des Brennraumes sich einstellende, weitgehend ideal homogene Konzentration des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird durch das noch anwesende Trä¬ gergas, obwohl dessen prozentualer Anteil auf Grund der zugeführten und aufberei¬ teten Luft reduziert ist, weiterhin aufrecht erhalten und trägt insbesondere dazu bei, dass keine Kondensation des Kraftstoffes an den Wänden des Brennraumes statt- findet, da ein Temperaturaustausch des Gemisches auf Grund der Umhüllung durch das Trägergases, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt, weitgehend unterbunden wird. Nach unmittelbarer und vollständiger gegenseitiger Durchmischung resultiert nun¬ mehr ein ideal homogenes Gemisch, das innerhalb der Brennkammer der Verbren¬ nungskraftmaschine fremd- oder selbstgezündet wird. Die sofort einsetzende Verbrennung setzt mit raschem Anstieg von Druck und Temperatur die annähernd ideale thermisch-chemische Umsetzung der Verbrennungsenergie in mechanische Bewegungsenergie in Gang und kann mit bekannten Maßnahmen den Anforderun¬ gen hinsichtlich Betriebssicherheit, Klopfsicherheit, Geräuschentwicklung und Lauf¬ ruhe weiter angepasst werden. Insbesondere mit der Möglichkeit der selektiven Korrektur der internen Restgasrate ist eine völlige Gleichstellung der Verbrennung zu erzielen, die sowohl ein Optimum für den Kraftstoffverbrauch als auch für die Schadstoffemission darstellt und allein für die Rohemission von NOx eine Reduktion von mehr als 95 % erwarten lässt. . . . „ _ . .

Bei einer Verbrennungsmaschine nach dem Dieselprinzip erfolgt die Zufuhr des konditionierten Kraftstoffgas-Trägergas-Gemisches zum Zeitpunkt des konventio¬ nellen Einspritzbeginns mit anschließend weiterer Verdichtung und Kompressions¬ zündung des Gemisches aus Kraftstoffgas, Trägergas und angesaugter bzw. aufbereiteter und eingeblasener Luft. Bei einer Verbrennungsmaschine nach dem Ottoprinzip erfolgt die Zufuhr des konditionierten Kraftstoffgas-Trägergas- Gemisches mit einer Temperatur und einem Druck, deren Werte vom Verlauf der Verbrennung und der Schadstoffemission abhängen, zusammen mit der angesaug¬ ten oder aufgeladenen Luft, der je nach Erfordernis nach entsprechender Kühlung Teile des Abgases zugeführt werden, mit anschließender Fremdzündung.

Durch diese Vorgehensweise wird sichergestellt, dass der bei der homogenen Die¬ selverbrennung stattfindende Verbrennungsvorgang mit den für die Minimierung von NOχ-Emissionen relevanten Parametern individuell gesteuert oder geregelt ab¬ läuft. Die für die thermische NO-Bildung wichtigen Einflussgrößen wie Luftverhältnis und adiabatische Flammentemperatur, die zum größten Teil im Post-Flame-Bereich stattfinden, werden so angepasst, dass sich für die NOx-Emission extrem niedrige Werte auf Grund der exponentiell mit der Temperatur abnehmenden NO-Bildung einstellen. Die bei niedrigen Temperaturen ablaufende prompte NO-Bildung erfolgt hauptsächlich unter brennstoffreichen Bedingungen, so dass bei einem Luftverhält¬ nis λ > 1 ,4 mit insgesamt äußerst geringen Anteilen von prompter NO-Bildung ge- rechnet werden kann. Als dritter Beitrag zur NO-Bildung ist der im Kraftstoff selbst enthaltene Stickstoffanteil zu nennen, dem jedoch auf Grund des nur geringen An¬ teils keine weitere Bedeutung zukommt. Einzig dem aus der Reaktion des Stickstof¬ fes mit dem atomaren Sauerstoff herrührenden Bildung von N2O und unter weiterer Reaktion hieraus gebildetem NO ist bei Vorliegen eines weitgehend minimierten thermischen NO-Beitrages eine besondere Beachtung zu schenken, da bei der ho¬ mogenen Dieselverbrennung die für die N2O-Bildung erforderlichen Bedingungen wie geringe Temperatur, hohes Luftverhältnis und hoher Druck diesen sonst gerin¬ gen Beitrag in Relation zu anderen NO-Bildungsmechanismen in den Vordergrund treten lassen.

Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Reduzierung der Rußpartikelemission. Der bei der Verbrennung von Kraftstoff entstehende Ruß setzt sich vorwiegend aus dreidimensional aufgebauten Reaktionsresten eines Pro¬ zesses zusammen, bei dem Wachstumsprodukte in Form mehrfacher Benzolringe durch mehrfache Bildung von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) entstehen. Die entstandene Rußmenge nimmt mit abnehmendem Luftver¬ hältnis und mit zunehmender Temperatur zu. Da im erfindungsgemäß vorliegenden Verfahren die dem Brennraum zugeführte Menge von Kraftstoff, Trägergas und Luft, den erforderlichen Anforderungen hinsichtlich Emission und Lastbereich mit hoher Dynamik gesteuert bzw. geregelt wird, kann für sämtliche Betriebspunkte der Verbrennungskraftmaschine ein weitgehend optimaler Rußemissionsausstoß ge¬ währleistet werden. Durch die gewählte Art der Gemischaufbereitung mit idealer homogener Konzentration entstehen im Brennraum weder örtlich hohe Spitzentem¬ peraturen, die zur NO-Bildung beitragen, noch Bereiche mit Sauerstoffmangel, in denen die Rußbildung begünstigt wird. Die Verbrennung erfolgt vielmehr bei einer weitgehend einheitlichen Temperatur mit ideal simultaner Selbstzündung des ge¬ samten Gemisches mit hohem Druckanstieg und kurzer Brenndauer. Die homogene Verbrennung des nach diesem Verfahren gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemisches ist daher durch eine hohe chemische Reaktion bei der Oxidation des Kraftstoffes im Gegensatz zur konventionellen Dieselverbrennung gekennzeichnet, die mischungs- kontrolliert und damit in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Vermischung von Luft mit Kraftstoff abläuft.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht auch zum konventionellem Ottomo¬ tor, bei dem im wesentlichen die Umsatzrate des Gemisches durch die im Brenn¬ raum turbulent entstehende Flammenausbreitung beeinflusst wird. Das neue Verfahren bietet zudem den Vorteil, dass das Gemisch durch Wahl eines Verdich¬ tungsverhältnisses, das unterhalb der Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches liegt, mit bekannten Elementen fremdgezündet werden kann. Darüber hinaus ist eine Variante der Verbrennungsführung realisierbar, bei der das unter Luftab- schluss aufbereitete Kraftstoff-Trägergas-Gemisch durch die definierte Zufuhr von Luft mit bestimmtem Druck und bestimmter Temperatur ohne weitere Zündquellen fremdgezündet wird.

Weiterhin ist es mit dem vorliegendem Verfahren möglich, dass in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine das aufbereitete KraftstofPTrägergas-Gemisch in die hochverdichtete Luft in Anlehnung an das Dieselprinzip mit einem Druck und einer Temperatur eingeblasen wird, deren Werte in Abhängigkeit vom Verlauf der Verbrennung und der Schadstoffemission dynamisch variabel gesteuert oder gere¬ gelt werden.

Auf Grund der prinzipiell vorhandenen Möglichkeit des Verfahrens zur differenzier¬ ten und in Abhängigkeit vom Verbrennungs- und Schadstoffemissionsverlauf vari¬ ablen gesteuerten oder geregelten Gestaltung von Zeitpunkten und Zeitdauer sowie von Temperatur und Druck der drei an der Gemischbildung beteiligten Komponen¬ ten Kraftstoff, Luft und Trägergas mit weiteren Möglichkeiten der Unterstützung der Verbrennung des homogenen Kraftstoff-Luftgemisches durch zusätzliche Kraftstoff- einspritzung und Lufteinbringung während der Verdichtung bzw. kurz vor oder nach OT eröffnet sich ein breites Ausgangspotential für eine Optimierung der Verbren¬ nung und der Schadstoffemission für unterschiedliche Lastbereiche der Verbren- nungskraftmaschine, die sowohl nach dem Diesel- als auch nach dem Ottoprinzip betrieben sein kann.

Die für den Betrieb einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgelegten Verbrennungskraftmaschine erforderlichen Volumina des Trägergases, die für die kontinuierliche Zuführung notwendig sind, sind relativ gering. So beträgt beispiels- weise das Kraftstoffgasvolumen bei einer typischen 4-Zylinder- Verbrennungsmaschine mit einem Kraftstoffverbrauch von 6 kg/100 km und bei - einer Drehzahl von 2000 U/min ca. 50 mg pro Arbeitstakt. Für das hieraus abgelei¬ tete ideale Gasvolumen des Kraftstoffes mit einem mittleren Molgewicht von 150 g/Mol errechnet sich ein Wert von 7,5 ml pro Arbeitstakt. Für das für die Konditio- nierung des Kraftstoffes erforderliche Volumen des Trägergases kann je nach Art der Verbrennungskraftmaschine sowie in Abhängigkeit vom Last- und Betriebspunkt ein Wert von etwa 1 bis 8 %, vorzugsweise 2 bis 5 %, des Gasvolumens des Kraft¬ stoffes bei Normaldruck angegeben werden, so dass pro Arbeitstakt im Mittel ein Volumen von 0,26 ml bei Normaldruck verbraucht wird. Der auf eine Strecke von 100 km bezogene Verbrauch an Trägergas beläuft sich im Mittel auf etwas mehr als 30 I1 so dass bei einer Jahresfahrleistung von 15000 km für die erforderliche Trä¬ gergasmenge ein Gesamtvolumen im Bereich um 4500 I pro Jahr anzusetzen ist.

In der Praxis ist das Mitführen eines entsprechend großen Trägergasvolumens, ge- speichert in einem Hochdruckbehälter mit 15 bis 30 I1 z.B. 20 I bei 250 bar möglich, der im Rahmen eines Tankvorganges mit einer Reichweite, die ein Vielfaches der Reichweite einer normalen Kraftstofftankfüllung beträgt, wieder befüllt wird. Ande¬ rerseits kann, falls aus unterschiedlichen Gründen ein Mitführen eines großen Trä¬ gergasbehälters nicht möglich oder erwünscht sein sollte, das Trägergas der Umgebungsluft während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine entnom¬ men werden. Bei einer nach dem vorliegenden Verfahren beispielhaft realisierbaren Vorrichtung wird hierbei das Trägergas aus der Umgebungsluft in einer gesonderten, nicht- kryogenen Trennanlage aufbereitet und anschließend komprimiert in einem kleine¬ ren Pufferbehälter zwischengespeichert. Weiterhin ist eine Aufbereitungsanlage vorgesehen, die das Trägergas aus dem Abgas nach entsprechender Aufbereitung zurückgewinnt. Dies ist möglich, da das Trägergas auf Grund seiner inerten Eigen¬ schaften selbst keine Prozessreaktion in physikalischer oder chemischer Hinsicht eingeht.

Der Gemischkammer wird das mit Heizelementen, die bevorzugt mit elektrischer Energie oder mit sonstiger zusätzlicher Hilfsenergie oder auch mit Energie aus ei¬ nem Abgaswärmetauscher betrieben werden, vorgeheizte und mittels eines Ver¬ dichters weiter komprimierte Trägergas zugeführt, dessen Werte für Temperatur und Druck in Abhängigkeit vom Arbeitsprinzip, vom Verlauf der Verbrennung und der Schadstoffemission und Art des Kraftstoffes dynamisch gesteuert oder geregelt werden. Zusätzlich sorgt ein innerhalb der Gemischkammer angeordnetes, elektri¬ sches Heizelement für eine weitgehend konstante Temperatur des aufbereiteten Kraftstoff-Trägergas-Gemisches.

Die für die Oxidation des Kraftstoffes notwendige Luft wird zentral aufbereitet und den Arbeitszylindern der Verbrennungskraftmaschine über eine zentrale Versor¬ gungseinrichtung zugeführt. Die Werte von Temperatur und Druck des zentral auf¬ bereiteten Oxidationsstoffes werden in Abhängigkeit vom Arbeitsprinzip der Verbrennungskraftmaschine, vom Verlauf der Verbrennung und der Schadstoff¬ emission und der Art des Kraftstoffes dynamisch variabel gesteuert oder geregelt. Der Zeitpunkt und die Dauer des Einblasens der vorgeheizten und in gewissen Grenzen mit variablem Vordruck aufbereiteten Luft wird zum Brennraum hin durch ein entsprechendes Lufteinblasventil gesteuert. Die Verbrennung wird über getrenn- te Vorrichtungen zur Drucküberwachung der zugeführten Luft und des Trägergases sowie zur Erfassung der Schadstoffe im Abgasvolumenstrom mittels einer entspre- chenden externen Vorrichtung derart geregelt, dass die Verbrennung thermisch stabil und optimiert abläuft und die Emissionen in jedem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine minimiert werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren und eine Einrich¬ tung angegeben, die sich insbesondere für die Nachrüstung bestehender Verbren¬ nungsmaschinen nach dem Dieselprinzip oder dem Ottoprinzip eignen. Hierbei wird zusätzlich im Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine ein Trägergasventii vor¬ gesehen, mit dem das Trägergas mit hohem Druck und mit hoher Temperatur als Gasstoß mit zeitlich abgestimmter Dauer parallel bzw. kurz nach dem Einspritzen des Kraftstoffes in den Verbrennungsraum und vor der Selbstzündung des Gemi¬ sches beim Dieselprinzip in die vorverdichtete und mit dem Kraftstoff vermischte Luft eingeblasen wird. Mit Einblasen des Trägergases wird die Homogenisierung des Gemisches durchgeführt, an die sich unmittelbar daran auf Grund der hohen Eigentemperatur des Trägergases die Zündung des Gemisches anschließt. Die im Verbrennungsraum bei und nach der weitgehend idealen Verbrennung entstehen¬ den Rußpartikel werden durch das Trägergas, bei Bedarf unterstützt durch einen . zusätzlichen Trägergasstoß in das Abgas, vollständig verbrannt, so dass die Ru߬ partikelemission minimiert wird. Beim Ottoprinzip kann das Trägergas in die Einlass- leitung oder in den Brennraum eingeleitet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Trägergas-Ventil zum Einbla¬ sen von Trägergas und ein Gemischeinblasventil zum Einblasen des Gemischs aus Trägergas und Kraftstoff bzw. Kraftstoffgas angegeben.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im folgenden auf die in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele Bezug genom¬ men, die anhand spezifischer Terminologie beschrieben sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Schutzumfang der Erfindung dadurch nicht eingeschränkt werden soll, da derartige Veränderungen und weitere Modifizierungen an den ge- zeigten Vorrichtungen und/oder den Verfahren sowie derartige weitere Anwendun¬ gen der Erfindung, wie sie darin aufgezeigt sind, als übliches derzeitiges oder künf¬ tiges Fachwissen eines zuständigen Fachmannes angesehen werden.

Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, nämlich:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des allgemeinen Wirkprinzips des Verfah¬ rens zur homogenen Gemischbildung mittels einer beispielhaft ausgeführ¬ ten Verbrennungsmaschine nach dem Dieselprinzip mit Kompressionszündung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Hochdruck-Trägergasventils mit integ¬ riertem Heizeinsatz und Doppelventil zur Zuführung des Trägergases und Strahlformung des Gasstahles;

Fig. 2a eine vergrößerte Darstellung zur Wirkungsweise der Fokussierung des Gasstrahles;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Hochdruck-Gemischeinblasventils, das mit einer kompakten Einheit die Gemischkammer sowie die Kraftstoff¬ einspritzdüse und das Hochdruckventil für das Trägergas zusammenfasst;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer nach dem Common-Rail-Prinzip arbei¬ tenden Gemischaufbereitung unter Verwendung von konventioneller Kraft- Stoffeinspritzdüse und Trägergas-Ventil;

Fig. 5 eine Variante der Verbrennungskraftmaschine mit Kompressionszündung nach dem Dieselprinzip mit einem System zur inneren Gemischbildung mit- tels eines gesonderten, am Arbeitszylinder angeordneten Ventils zum Ein- blasen des Kraftstoff-Trägergas-Gemisches;

Fig. 6 eine Variante der Verbrennungskraftmaschine mit Kompressionszündung nach dem Dieselprinzip mit einem System zur äußeren Gemischbildung mit¬ tels eines zentral innerhalb der Luftzuführung angeordneten Gemischein- blasventils;

Fig. 7 eine schematisierte Darstellung einer Variante als kompressionsgezündete Verbrennungskraftmaschine nach dem Dieselprinzip, die als Gemischbil¬ dungssystem eine nach dem Prinzip des Common-Rail arbeitenden und zentral angeordneten Gemischkammer verwendet;

Fig. 8 eine schematisierte Darstellung einer weiteren Variante als kompressions- gezündete Verbrennungskraftmaschine nach dem Dieselprinzip, die in An¬ lehnung an das Pumpe-Düse-Prinzip als Gemischbildungssystem ein dezentral angeordnetes Gemischeinblasventil mit integrierter Gemisch¬ kammer unter Einbeziehung einer konventionellen Kraftstoffeinspritzdüse und eines Trägergas-Ventils verwendet;

Fig. 9 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips zur homogenen Gemisch¬ bildung mittels eines beispielhaft ausgeführten Verbrennungsmaschine nach dem Ottoprinzip mit äußerer Gemischbildung und Fremdzündung;

Fig. 10 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips zur homogenen Gemisch¬ bildung mittels einer beispielhaft ausgeführten Verbrennungskraftmaschine nach dem Ottoprinzip mit innerer Gemischbildung und Fremdzündung;

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines Hochdruck-Trägergasventils mit im Auslasskanal angeordneten Heizeinsatz und am Einblaskopf angeordneten Zündelektroden;

Fig. 12 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips zur homogenen Gemisch- bildung mittels eines beispielhaft ausgeführten Verbrennungsmotors nach dem Dieselprinzip mit innerer Gemischbildung und Fremdzündung durch Einblasen von heißem Trägergas;

Fig. 13 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips zur homogenen Gemisch- bildung mittels eines beispielhaft ausgeführten Verbrennungsmotors nach dem Ottoprinzip mit äußerer Gemischbildung und Fremdzündung durch Einblasen von heißem Trägergas.

In Fig. 1 wird das neue Verfahren sowie dessen wesentlichen Elemente in einer beispielhaften Ausführung nachstehend an Hand einer Verbrennungskraftmaschine 8 verdeutlicht, die nach dem Dieselprinzip ausgelegt und deren Zündung mittels Kompression erfolgt. Die Verbrennungskraftmaschine 8 umfasst mindestens einen Arbeitszylinder 10 mit Hubkolben 12 und Verbrennungsraum 14 und verfügt im Un¬ terschied zu üblichen Verbrennungskraftmaschinen gleichen Typs über eine spe- zielle Gemischkammer 16, die außerhalb des Verbrennungsraumes 14 angeordnet ist und in der eine spezielle Aufbereitung eines Kraftstoffes durch ein Trägergas erfolgt. Diese Aufbereitung wird auch Konditionierung genannt. Die Gemischkam¬ mer 16 kann zum Verbrennungsraum 14 durch ein zusätzliches Ventil 22 geöffnet werden. Das in der Gemischkammer 16 gebildete, konditionierte Gasgemisch aus Kraftstoffgas und Trägergas wird mit einem Druck und mit einer Temperatur, die von den jeweiligen Werten der beteiligen Komponenten abhängen, in die vorver¬ dichtete Luft in den Verbrennungsraum 14 eingeblasen, so dass im verfahrensbe¬ dingten zweiten Schritt die Durchmischung mit der Luft und die weitere Gemischhomogenisierung stattfindet. Unmittelbar nach Schließen des Ventils 22 werden Kraftstoff und Trägergas in die Gemischkammer 16 eingebracht, so dass für den nächsten Gasstoß genügend Zeit zur vollständigen Konditionierung des Kraftstoffes verbleibt. Über eine Kraftstoffzuleitung 28 wird der Kraftstoff einem Kraftstoffverdichter 30 zugeführt, dort auf etwa 1200 bar oder mehr verdichtet und in einem Hochdruckspeicher 32 zwischengespeichert. Der vorkomprimierte Kraft- stoff wird nach Erwärmung in einem Heizelement 34, welches bevorzugt elektrisch, mit anderer Energie oder durch Wärme aus dem Abgas betrieben wird, zugeführt und mit Hilfe einer Einspritzdüse 24 in die Gemischkammer 16 eingespritzt.

Das Trägergas wird einem Druckspeicher 36 mit einem Druck von etwa 250 bar entnommen und über einen zusätzlichen Hochdruckverdichter 38, der das Träger¬ gas auf etwa 600 bar oder mehr weiter verdichtet, in einem Hochdruckspeicher 40 zwischengespeichert. In einem Heizelement 42, welches bevorzugt elektrisch, mit anderer Energie oder durch Wärme aus dem Abgas betrieben wird, erfolgt die Auf¬ heizung des Trägergases auf einen Wert im Bereich von 1500 °C oder mehr. Dieser Temperaturwert stellt einen typischen Wert für eine nach dem Dieselprinzip betrie¬ bene Verbrennungskraftmaschine mit innerer Gemischbildung dar.

Für Varianten mit äußerer Gemischbildung, bei denen definitionsgemäß das Kraft¬ stoff-Luft-Gemisch außerhalb"des Verbrennungsraumes erzeugt wird, muss die Vorwärmtemperatur des Trägergases so angepasst werden, dass keine vorzeitige Zündung des gesamten Gemisches stattfindet. Dies gilt insbesondere für eine An¬ wendung in Verbrennungsmaschinen nach dem Ottoprinzip, bei denen die Zünd¬ temperatur des Benzin-Luft-Gemisches wesentlich niedriger liegt. Da jedoch jede einzelne Komponente hinsichtlich Druck und Temperatur getrennt und daraus resul- tierend die Werte des konditionierten Kraftstoff-Trägergas-Gemisches als Gesamt¬ wert eingestellt werden kann, ergibt sich mit diesen Variabilitäten, die durch die Möglichkeit zur Steuerung des Drucks und der Temperatur der Luft weiter erweitert wird, eine breite Basis von Anwendungsvarianten sämtlicher bestehender und zu¬ künftig realisierbarer Motorkonzepte. Zu einem Zeitpunkt, der je nach Arbeitsweise der Verbrennungsmaschine 8 variiert, wird das Trägergas vor, gleichzeitig oder nach dem Einspritzen des Kraftstoffes ü- ber ein Hochdruck-Trägergasventi! 26 in die Gemischkammer 16 eingeblasen und unter Luftabschluss die Konditionierung des Kraftstoffes durchgeführt. Ein innerhalb der Gemischkammer 16 integrierter Heizeinsatz 17, der in einer bevorzugten Aus¬ führung durch elektrische Energie gespeist wird, sorgt für eine weitgehend konstan¬ te Temperatur oberhalb des Siedepunktes des Kraftstoffes, so dass die konditionierte Phase des Kraftstoffgas-Trägergas-Gemisches als angenähert ideale Gasphase beider Komponenten innerhalb der Gemischkammer 16 beibehalten wird.

Die zur Oxidation des Kraftstoffes erforderliche Luft wird über eine Luftzuleitung 44 in einem Verdichter 46 auf einen Druck.von etwa 6 bar oder auch mehr aufbereitet und in einem Pufferspeicher 48 gespeichert. Ein Heizelement 50, welches bevor- zugt elektrisch, mit anderer Energie oder durch Wärme aus dem Abgas betrieben wird, erlaubt eine Vorwärmung der komprimierten- Luft, die mittels eines Lufteinblas- ventils 52 in die Einlassleitung 54 bei geöffnetem Einlassventil 18 eingeblasen wird. Das innerhalb der Gemischkammer 16 konditionierte Kraftstoff-Trägergas-Gemisch wird in der Nähe des OT (oberer Totpunkt) des Hubkolbens 12 mit dem inneren Druck der Gemischkammer 16, der sich je nach Eigenvolumen der Gemischkam¬ mer 16 und nach Höhe der Mengen und der Druckwerte der beiden eingebrachten Komponenten Kraftstoff und Trägergas auf einen Gesamteigendruck einstellt, über das Ventil 22 in den Verbrennungsraum 14 eingeblasen. Beim Einblasen des kondi¬ tionierten Gemisches in den Verbrennungsraum 14 vollzieht sich neben der Durch- mischung des Kraftstoff-Trägergas-Gemisches mit der verdichteten Luft annähernd gleichzeitig eine Entzündung des dabei nach den Gesetzen der inneren Gemisch¬ bildung unmittelbar entstandenen Kraftstoff-Luft-Gemisches. Nach Umsetzung der thermischen Energie in mechanische Arbeit erfolgt im 4. Arbeitstakt der Verbren¬ nungskraftmaschine 8 über das Auslassventil 20 der Ausstoß der Abgase in eine Abgasleitung 56. In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung als Schnitt des Trägergasventils 26 ge¬ zeigt, mit dem das zeitlich gesteuerte Einblasen des Trägergases je nach Anwen¬ dungsfall direkt in den Verbrennungsraum 14 der Verbrennungskraftmaschine 8 oder zunächst in die Gemischkammer 16 erfolgt. Das Trägergas wird über einen Anschluss 88 und eine Zuleitung 80 mit einem Druck von bis zu 1200 bar in eine Zwischenkammer 72 geführt, die oberhalb eines normalerweise geschlossenen Ventilhauptsitzes 76 liegt. Innerhalb der Zwischenkammer 72 ist ein gasdurchlässi¬ ger, rohrförmig angepasster Körper als Heizeinsatz 17 mit geringer Wanddicke in¬ tegriert. Dieser besteht in der beispielhaften Ausführung aus einem gasdurch- lässigen Element aus Heizwiderstandsdraht, der als einlagige Wicklung mit einer geringer Dicke spiralig oder anderweitig auf ein temperaturfestes Trägermaterial aufgebracht ist und in der Zwischenkammer 72 z.B. durch nicht gezeigte, in axialer Richtung verlaufende dünne Stege gehalten wird. Die Temperatur des Heizeinsat¬ zes 17 bzw. des Trägergases innerhalb der Zwischenkammer 72 wird durch eine externe Regelung auf einen konstanten Wert gehalten, der je nach Bedarf der spä¬ teren Anwendung im Bereich von etwa 200 0C bis 1500 0C oder höher liegen kann. Der Auslass des Ventils 26 wird durch den besonderen Ventilsitz 76 gebildet, den das auslassseitige Ende des Ventilhauptkörpers 70 mit Unterstützung durch die Druckfeder 78 gasdicht verschließt. Der Auslass des Ventils 26 wird durch einen Einblaskopf 84 abgeschlossen, durch den mittels mehrerer unterschiedlicher Aus¬ lassbohrungen 86 das Trägergas austreten kann.

Ein Hauptventilkörper 70 wird im Sinne einer Anhebung gegen den Druck der Druckfeder 78 durch ein servohydraulisches Steuermodul 82 bewegt, welches durch ein Hilfsventil 74 unterstützt wird, das seinerseits durch ein elektromagneti¬ sches Steuermodul 83 betätigt wird. Die Zuleitung der Hilfsenergien erfolgt über einen Hydraulikanschluss 92 und einen elektrischen Anschluss 94, über den auch die Zuleitung elektrischer Energie für den Heizeinsatz 17 erfolgt. Nicht gezeigt sind die für die hydraulische Betätigung erforderlichen Ölkanäle und Hilfsvolumina, durch deren Zusammenspiel sich die sachgerechte Funktion der gesamten Steuerung von Hilfs- und Hauptventil ergibt. Fig. 2a zeigt in einer vergrößerten Darstellung die besondere konstruktive Ausges¬ taltung im Bereich des Ventilhauptsitzes 76, durch die eine besondere Führung des Trägergases nach Anheben des Hauptventilkörpers 70 ermöglicht wird. Diese ge- wählte Art der Gasführung dient der gezielten Fokussierung des Kernbereiches des Gasstrahles, um zum einen die Form des Gasstrahles zu beeinflussen und zum anderen dessen Reichweite zu erhöhen. Zu diesem Zweck sind zwei unterschiedli¬ che Dichtungsbereiche als Ventilhauptsitz 76 und Ventilnebensitz 77 ausgebildet, die den Gasstrom mit einer Primärströmung 89 und mit einer Sekundärströmung 91 . austreten lassen. Während die Primäröffnung 85 zentrisch mit dem Ventilhauptsitz 76 verschlossen wird, wird die radiale Sekundäröffnung 87 durch einen ringförmi¬ gen Ventilnebensitz 77 abgedichtet. Die Ventilsitze 76 und 77 haben als Gegenla¬ ger voneinander getrennt angeordnete und gemeinsam bewegte Elemente des Hauptventilkörpers 70 und sind mit axiaier und radialer Distanz mitteis dünner, nicht gezeigter axialer Stege verbunden, so dass die Hauptöffnung 85 aus der Zwischen¬ kammer 72 zu dem im Ruhezustand geschlossenen, zentrisch angeordneten Ven¬ tilhauptsitz 76 führt. Bei Betätigung des Hauptventilkörpers 70 öffnet sich zunächst die Primäröffnung 85 und lässt einen Gasstrahl als Primärströmung 89 austreten, der durch eine zusätzliche mechanische Verengung 95 innerhalb des Auslasska- nals 90 weitgehend konzentriert aus dem Einblaskopf 84 austritt. Mit größer wer¬ dendem Hub des Hauptventilkörpers 70 öffnet die äußere, ringförmige Sekundäröffnung 87, so dass sich eine Sekundärströmung 91 einstellt, die räumlich getrennt von der Primärströmung 89 verläuft. Die sich mit ringförmigen Gasstrahl¬ querschnitt bildende Sekundärströmung 91 wird innerhalb des Einblaskopfes 84 an der innenliegenden, ringförmigen Kante in zwei ringförmige Teilströmungen aufge¬ teilt. Während der externe Teilstrom 96 den Einblaskopf 84 ungehindert verlässt, bildet sich an der Peripherie einer Fokussierzone 93 durch den zum Zentrum des Einblaskopfes 84 abgelenkten Teil der Sekundärströmung 91 ein radialer Druck¬ gradient aus, so dass die Hauptströmung 89 innerhalb der Fokussierzone 93 weiter eingeschnürt und die Geschwindigkeit der Primärströmung 89 erhöht wird. Der bei der Öffnung des Hauptventilkörpers 70 austretende Gasstrahl ist somit im zeitli¬ chem Ablauf durch eine Phase mit größerem Wirkungsquerschnitt und geringerer Austrittsgeschwindigkeit, die zu Beginn und am Ende des Gasstoßes liegen, und einer dazwischen liegenden, hoch konzentrierten Phase mit geringem Querschnitt und dadurch bedingt mit hoher Geschwindigkeit und großer Reichweite geprägt. Die Eigenschaften des nach diesem Prinzip zur Fokussierung eines Gasstrahles ausge- führten Trägergasventils 26 sind in weitem Rahmen mit anderen konstruktiven Ma߬ nahmen als die beispielhaft angeführten zu erzielen, ohne aus dem Bereich der vorliegenden Erfindung zu gelangen.

In Fig. 3 ist eine konstruktive Ausgestaltung eines für das vorliegende Verfahren besonders geeigneten Gemischeinblasventils 100 gezeigt, welches in einer kom¬ pakten Einheit im Sinne der bekannten Pumpe-Düse-Anordnung die Funktionen der Zuführung von Kraftstoff und Trägergäs, die Konditionierung des Kraftstoffes und das Einblasen des entstandenen Kraftstoff-Trägergas-Gemisches in die Verbren¬ nungskraftmaschine vereint. Teile gleicher Funktion stimmen mit den in Fig. 2 be- schriebenen Teilen überein und haben gleiche Bezugszeichen, so dass diese hier nicht besonders beschrieben werden. In Bezug auf die Funktion dieser Teile wird auf die Beschreibung zu den Figuren 2 und 2a verwiesen. Jedem einzelnen Ar¬ beitszylinder der Verbrennungskraftmaschine 8 kann mit Hilfe des Ventils 100 eine dezentrale Gemischkammer 16 zugeordnet werden. Die Heizeinheit 17 ist den Ab- messungen der Gemischkammer 16 angepasst. Weiterhin sind dieser zwei Ventile 24, 26 zugeordnet, von dem eines als konventionelle Kraftstoffeinspritzdüse 24, der der Kraftstoff mit einem Druck von etwa 1200 bar oder mehr über eine Kraftstoffzu¬ leitung 104 zugeführt wird. Das andere Ventil ist das beschriebene Trägergasventil 26, dem das Trägergas mit einem Druck von bis zu 1200 bar und einer Temperatur von bis zu 1500 °C über eine Zuleitung 102 zugeführt wird. Innerhalb der Gemisch¬ kammer 16 entsteht somit ein unter Luftabschluss konditioniertes Kraftstoffgas- Trägergas-Gemisch, das mit dem Heizeinsatz 17 auf eine konstante Temperatur oberhalb des Siedepunktes des jeweiligen Kraftstoffes auf einen z.B. für Diesel¬ kraftstoff geltenden Wert um 430 0C gehalten wird. Nach Betätigung des Hauptven- tilkörpers 70 verlässt das Gasgemisch das Gemischeinblasventil 100 über den Einblaskopf 84 (wie bei Figur 2) als Gasstoß und wird in die Verbrennungskraftma¬ schine eingeblasen. Der Ventilsitz 76 ist in der vorliegenden beispielhaften Ausfüh- rung als einfacher Kegelsitz gestaltet, kann aber je nach Bedarf ähnlich wie in Fig. 2 bzw. Fig. 2a als speziell wirkender Doppelsitz mit entsprechender Doppelfunktion ausgebildet sein und eine Primärströmung und Sekundärströmung erzeugen.

Das Gemischeinblasventil 100 kann aufgrund der kompakten Ausführungsform so¬ wohl zur inneren als auch äußeren Gemischbildung Verwendung finden. Darüber hinaus kann es für eine breite Palette von Verbrennungsmaschinen eingesetzt wer¬ den, die entweder nach dem Diesel- oder dem Ottoprinzip arbeiten. Zudem ist so¬ gar die Anwendung in einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Hybridprinzip denkbar, die beide Verbrennungsprinzipien, Diesel- und Ottoprinzip, innerhalb einer konstruktiven Ausführung vereinigt. Auf diese sowie auf weitergehende Varianten und der konstruktiven Gestaltung der Verbrennungskraftmaschine wird nachfolgend eingegangen.

Die Fig. 4 zeigt schematisch das Wirkprinzip einer Vorrichtung zur Kraftstoffkonditi- onierung nach dem Common-Rail-Prinzip unter Verwendung einer konventionellen Kraftstoffeinspritzdüse 24 und eines Trägergasventils 26 nach Fig. 2 bzw. Fig. 2a, bei der sämtliche identischen Teile, Bereiche und Leitungen aus den vorangegan¬ genen Fig. 1 bis Fig. 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, ohne dass diese noch einmal detailliert beschrieben sind. Die gezeigte Ausführung als Com- mon-Rail-Anordnung unterscheidet sich von einer Anordnung mit Gemischeinblas- ventilen 100 gemäß Fig. 3 durch eine verbesserte Möglichkeit zur Gestaltung der zentralen Gemischkammer 16, die in ihren Abmessungen sich nunmehr der gesam¬ ten Verbrennungskraftmaschine anpasst und ein entsprechend großes Volumen zur Verfügung stellt. Die Gemischkammer 16 kann, wie im Beispiel dargestellt, als allei¬ nige, sämtliche Arbeitszylinder der Verbrennungskraftmaschine versorgende Einheit oder bei größeren Verbrennungskraftmaschinen als eine Einheit bestehend aus zwei oder mehr Reihen, die untereinander in Verbindung stehen, ausgeführt sein. Bei größeren Verbrennungskraftmaschinen mit mehr als sechs Arbeitszylinder kann es auf Grund der besseren Steuerung der einzelnen Zylindergruppen und zur An¬ passung an variable Lastbetriebspunkte von Vorteil sein, wenn zwei oder mehr voneinander getrennte Gemischkammern 16 mitjeweils eigenen Einspritzdüsen für den Kraftstoff bzw. Trägergasventilen für das Trägergas vorhanden sind. Auf Grund der Größe der Gemischkammer 16 ist erforderlichenfalls eine nicht gezeigte Isolie¬ rung zur Reduzierung von Temperaturverlusten vorzusehen, da die Innentempera- tur der Gemischkammer 16 durch den entsprechend angepassten Heizeinsatz 17 je nach Kraftstoff bei etwa 430 °C für Dieselkraftstoff bzw. bei etwas mehr als 200 0C für Benzinkraftstoff liegt. Der Vorteil dieser Common-Rail-Anordnung liegt in dem konstruktiv vorgegeben großen Volumen der Anordnung, so dass auf Grund der Pufferwirkung hohe Bedarfsspitzen an konditioniertem Kraftstoff-Trägergas- Gemisch mit weitgehend konstanten Eigenschaften bezüglich Druck und Tempera¬ tur bereit gestellt werden können. Die dem Bedarf der jeweiligen Arbeitszylinder angepasste Menge des Kraftstoff-Trägergas-Gemisches wird in den Verbrennungs¬ raum 14 der Verbrennungskraftmaschine durch entsprechende Ansteuerung der einzelnen Ventile 106 eingeblasen.

Die in Fig. 5 dargestellte Variante der Verbrennungskraftmaschine mit Kompressi¬ onszündung nach dem Dieselprinzip und mit innerer Kraftstoff-Luft-Trägergas- Gemischbildung unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Prinzip dadurch, dass die üblicherweise im Zylinderkopf der einzelnen Arbeitszylinder angeordnete Kraftstoffeinspritzdüse durch ein Gemischeinblasventil 100 nach Fig. 3 ersetzt wird. Da bei dieser Anordnung das konditionierte Kraftstoff-Trägergas-Gemisch mit einer Temperatur um etwa 430 °C in den Verbrennungsraum 14 eingeblasen wird, ist der richtige Einblaszeitpunkt zu wählen, da sich durch das Einblasen des heißen Gemi¬ sches eine sofortige Zündung zusammen mit der vorkomprimierten Luft ergibt. Die hierfür notwendige Steuerung von Zeitpunkt und Dauer des Einblasens sowie die Bereitstellung von hydraulischer, elektrischer oder sonstiger Hilfsenergie zum Be¬ trieb des Gemischeinblasventils 100 und der Gemischkammer 16 übernimmt eine zentrale Steuerung 108. Die Zufuhr der erforderlichen Luft kann, wie in der bei¬ spielhaften Ausführung gezeigt, über eine entsprechende Luftversorgungseinheit mit den Bauteilen 44 bis 50, die bei Bedarf durch eine nicht gezeigte Abgasrückfüh¬ rung ergänzt wird, oder im einfachsten Fall auch mit normaler gefilterter, atmosphä¬ rischer Luft erfolgen. Eine weitere Variante einer Verbrennungskraftmaschine mit Kompressionszündung nach dem Dieselprinzip mit einem System zur äußeren Gemischbildung ist in Fig. 6 dargestellt. Mittels eines innerhalb der Luftzuführung angeordneten Gemischein- blasventils 100, welches jedem Arbeitszylinder 10 und der jeweiligen Lufteinlasslei¬ tung 54 zugeordnet wird, erfolgt die Zumischung des konditionierten Kraftstoff- Trägergas-Gemisches zur eingeblasenen vorverdichteten Luft. Auch hier ist die nicht gezeigte Methode des Zuführens atmosphärischer Luft möglich. Der wesentli¬ che Unterschied zu Fig. 5 ist darin zu sehen, dass die Temperatur des innerhalb der Gemischkammer 16 aufbereiteten Gasgemisches unterhalb der Zündtemperatur des Dieselkraftstoffes liegt, da sonst bereits im Einlass 54 die Zündung des gesam¬ ten Gemisches stattfinden würde. Dies bedeutet auch, dass die Temperatur des Trägergases im Bereich des Heizelementes 17 auf ein entsprechendes Niveau ab¬ gesenkt werden muss. Dennoch ergibt sich für die homogene Gemischbildung der Vorteil, dass ein wesentlich längerer Weg und damit entsprechende Zeit zur Verfü¬ gung steht, in der sich das homogene Gemisch mit den beteiligten Stoffen bilden kann. Das derart vorkonditionierte Gemisch füllt bereits nach dem ersten Ansaug¬ takt der Verbrennungskraftmaschine den gesamten Verbrennungsraum 14 aus und wird im zweiten Arbeitstakt so weit verdichtet, bis bei Erreichen der Zündtemperatur das Gemisch zündet.

Fig. 7 zeigt in einer schematisierten Darstellung und in Erweiterung des in Fig. 1 bereits dargestellten Wirkprinzips eine Verbrennungskraftmaschine 8 nach dem Dieselprinzip mit Kompressionszündung, die als Gemischbildungssystem, wie in Fig. 4 gezeigt, eine nach dem Prinzip des Common-Rail arbeitende, zentral ange¬ ordnete Gemischkammer 16 verwendet. Die in Fig. 1 und anderen Figuren bereits verwendeten Bezugszeichen werden hier für identische Teile übernommen. In die¬ sem Gesamtkonzept ist weiterhin in Ergänzung zu Fig. 1 und als beispielhafte Aus¬ führung die Integration einer nicht-kryogenen Trennanlage zur Gewinnung des Trägergases aus der Umgebungsluft sowie die Aufbereitung des im Abgas enthal¬ tenen Trägergases gezeigt. Die Verbrennungskraftmaschine 8 umfasst in dieser Ausführung sechs Verbren- nungsräume 14, denen die zentral angeordnete Gemischkammer 16 im Sinne einer Common-Rail-Anordnung zugeordnet ist. Mittels der gesteuerten Kraftstoffeinspritz- düse 24 erfolgt die Einbringung des im Verdichter 30 vorverdichteten und im Heiz¬ element 34 vorgewärmten Kraftstoffes in die Gemischkammer 16, der über das zentrale Trägergasventil 26 das Trägergas zugeführt wird, nachdem dieses durch den Trägergasverdichter 38 zur dynamischen Druckanpassung komprimiert wurde und über das Heizelement 42 aufgeheizt wurde. Das in der Gemischkammer 16 konditionierte Kraftstoff-Trägergas-Gemisch wird, für jeden Arbeitszylinder getrennt, über die aus der Gemischkammer 16 abgehende Leitung zu dem jeweiligen Ventil 106 geführt, mit dem das'Einblasen des Gasgemisches in den jeweiligen Verbren¬ nungsraum 14 erfolgt.

Die für die Verbrennung erforderliche Luft wird in dem gesonderten Luftdruckbehäl¬ ter 48 gepuffert, dem die von dem Luftabgaslader 46 vorkomprimierte und mit dem Heizelement 50 vortemperierte Luft zugeführt wird. Die so aufbereitete Luft wird mit dem Lufteinblasventil 52 in den jeweiligen Verbrennungsraum 14 eingeblasen. Ein zentrales Steuermodul 122 verwaltet die einzelnen Signale, die von den innerhalb der Verbrennungsräume 14 angeordneten Sensoren zur Druck- bzw. Klopferfas¬ sung, innerhalb des Abgasstrangs angeordneten Emissionssensoren sowie von den Temperatur- und Drucksensoren der jeweiligen Kraftstoff-, Trägergas- und Luftzulei¬ tungen sowie der Gemischkammer 16 geliefert werden. Diese sind der Übersicht¬ lichkeit wegen nicht gezeigt.

Die Aufbereitung des Trägergases erfolgt aus der Umgebungsluft über einen Luftfil¬ ter 110 und einen Luftverdichter 112, der ein nicht-kryogenes Lufttrennsystem 114 speist, so dass das Trägergas nach zusätzlicher Verdichtung durch einen Träger¬ gasverdichter 116 im Trägergashochdruckspeicher 36 vorgehalten werden kann. Das nach der Verbrennung auf Grund seiner Reaktionsunfähigkeit unveränderte Trägergas wird in einem Abgasaufbereitungssystem 118 aufbereitet, mit dem die Temperatur des Abgases gesenkt sowie unerwünschte und störende Restgase ent¬ fernt werden. Die Restabgase speisen bedarfsweise die zugehörigen Wärmetau¬ scher und verlassen die Verbrennungskraftmaschine 8 über die Abgasleitung 56. Die vom Restgas befreiten Abgase werden dem Lufttrennsystem 114 nach zusätzli- eher Verdichtung durch einen Abgasverdichter 120 erneut zugeführt, so dass bis auf einige geringe Verluste eine weitgehende Aufbereitung des einmal eingebrach¬ ten Trägergases erfolgt und nur die auftretenden Verluste durch Hinzufügen eines aus der Umgebungsluft gewonnenen Anteils gedeckt werden müssen.

In Fig. 8 ist die schematisierte Darstellung einer weiteren Variante als kompressi- onsgezündete Verbrennungskraftmaschine nach dem Dieselprinzip mit sechs Brennräumen 14 gezeigt, wobei in Anlehnung an das Pumpe-Düse-Prinzip als Ge¬ mischbildungssystem im jeweiligen Brennraum 14 ein dezentral angeordnetes Ge- mischeinbiasventil 100 mit integrierter Gemischkammer 16 nach Figur 3 unter Verwendung einer konventionellen Kraftstoffeinspritzdüse 24 und eines Trägergas¬ ventils 26 verwendet wird. Die dargestellte beispielhafte Ausführung entspricht, dies gilt insbesondere für die Trägergasgewinnung und -aufbereitung, in wesentlichen Teilen der Fig. 7, wobei der Unterschied darin besteht, dass die ausgeführte Ge¬ mischbildungskammer 16 nicht als zentrale Common-Rail-Anordnung sondern als dezentrale Anordnung nach dem Pumpe-Düse-Prinzip realisiert ist. Der Gemisch¬ kammer 16, die somit jedem einzelnen Verbrennungsraum 14 zugeordnet ist, wer¬ den der Kraftstoff über die Einspritzdüse 24 und das Trägergas über das Einblasventil 26 zugeleitet. Nach Einspritzen des Kraftstoffes bzw. Einblasen des Trägergases in die Gemischkammer 16 erfolgt die Konditionierung, nach der an- schließend mit dem Gemischeinbiasventil 100 das nunmehr vorliegende Kraftstoff- Trägergas-Gemisch in jeden Verbrennungsraum 14 eingeblasen wird.

Die nachfolgend beschriebenen Figuren 9 bis 13 sind zum großen Teil ähnlich den beispielhaften Ausführungsformen und. -Varianten, die zuvor aus dem in Fig. 1 be- schriebenen Wirkprinzip entwickelten wurden. Ein Unterschied besteht (mit Aus¬ nahme von Figur 12) darin, dass das Verfahren von einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Dieselprinzip mit Kompressionszündung auf eine Verbrennungskraftmaschine mit Fremdzündung nach dem Ottoprinzip übertra¬ gen wurde.

In den Fig. 9 bis 13 werden bereits bekannte Teile mit ihren Bezugszeichen ohne weitere Erläuterung dieser Teile übernommen. Ein wesentlicher Unterschied der in Figur 9 ausgeführten Anordnung zu der Anordnung nach Figur 6 besteht darin, dass die Bildung des Luft-Kraftstoff-Gemisches als äußere Gemischbildung außerhalb des Verbrennungsraumes 14 stattfindet. Weiterhin sind die für Ottokraftstoffe gel- tenden niedrigere Siedetemperatur und Zündtemperatur zu beachten. Dies bedeu¬ tet, dass die Temperatur sowohl des eingespritzten Kraftstoffs als auch des eingeblasenen Trägergases unter der Zündtemperatur des Benzin-Luft-Gemisches liegen muss. Die Luft wird, wie dargestellt, durch zusätzliche Komprimierung in die . Einlassleitung 54 eingebracht. Innerhalb der Einlassleitung 54 ist die beim Ottoprin- zip erforderliche Luftmengensteuerung in Form einer Drosselklappe 125 angeord¬ net. Im weiteren Verlauf der Luftzuführung befinden sich sowohl die Kraftstoffeinspritzdüse 24, die ggf. durch einen nicht gezeigten Vergaser konventio¬ neller Bauart ersetzt werden kann, als auch das Trägergasventil 26 zum Einblasen des Trägergases. Das Gemisch aus Kraftstoff, Luft und Trägergas füllt nach Öff- nung des Einlassventils 18 während des ersten Arbeitstaktes den gesamten Verbrennungsraum 14, wird im zweiten Arbeitstakt verdichtet und in der Nähe des OT des Hubkolbens 12 durch die im Zylinderkopf angeordnete Zündkerze 126 ent¬ zündet. '

Die in Fig. 10 gezeigte schematische Darstellung des Wirkprinzips zur homogenen Gemischbildung mittels einer beispielhaft ausgeführten Verbrennungskraftmaschine nach dem Ottoprinzip stimmt überwiegend mit der in Fig. 9 gezeigten Anordnung überein. Ein Unterschied hierzu liegt im Übergang von der äußeren Luft-Kraftstoff- Gemischbildung zur inneren Gemischbildung im Brennraum 14 unter Verwendung des in Fig. 3 gezeigten Gemischeinblasventils 100. Nicht gezeigt ist eine alternative Möglichkeit zur Einbringung von Kraftstoff und Trägergas als Ersatz für das Ge- mischeinblasventil 100 unter Verwendung von konventioneller Kraftstoffeinspritzdü¬ se und Trägergasventil 26 für das Trägergas, die zusammen mit der Zündkerze 126 im Zylinderkopf angeordnet sein können. Der Vorteil der in der vorliegenden Form realisierten inneren Gemischbildung ist darin zu sehen, dass die Temperatur inner- halb der Gemischkammer 16 höher als bei der äußeren Gemischbildung nach Fig. 9 gewählt werden kann, da in Abhängigkeit vom Zeitpunkt des Einblasens die Tem¬ peratur des Kraftstoff-Trägergas-Gemisches entsprechend so gesteuert werden kann, dass keine ungewollte Zündung des gesamten Gemisches stattfindet.

Andererseits können mit einer Weiterentwicklung des Einblasventils 26 aus Fig. 2 zu einem in Figur 11 gezeigten Trägergas-Ventil 127 mit integrierter Zündeinrich¬ tung die Funktionen des Einblasens des Trägergases und des Zündens des gesam¬ ten Gemisches innerhalb des Verbrennungsraumes 14 in einem einzigen Bauteil realisiert werden. Das Heizelement 17 ist, da die Länge des Hauptventilkörpers 70 verringert wurde, in axialer Richtung wesentlich vergrößert und innerhalb eines Aus¬ lasskanals 132 angeordnet, der mit dem Einblaskopf 84 abgeschlossen wird. Es wird so bei Öffnung des Ventils eine entsprechende Verlängerung des wirksamen Weges und der Zeit, innerhalb derer das Trägergas den. Heizeinsatz passiert, er¬ zielt. Das Einblasventil 127 enthält eine elektrisch betriebene Zündvorrichtung 134, 136, 137, 138, deren Masseelektrode 134 mit dem Einblaskopf 84 leitend verbun¬ den ist und deren Zündelektrode 136 mittels einer isolierten Halterung 138 am Ven¬ tilkörper 130 befestigt ist. Die beiden Zündelektroden 134, 136 stehen sich im entsprechenden axialen Abstand zum Gasauslass 86 des Einblaskopfes 84 derart gegenüber, dass die Mitte des Luftspaltes 137 mit dem Zentrum des austretenden Gasstrahl korrespondiert. Nicht gezeigt ist die isolierte Zuführung der Hochspan¬ nung, die mit bekannten Elementen bis zum oberen Anschluss 140 geführt wird. Die Zündeinrichtung wird mit intermittierendem Betrieb synchron oder mit geringer zeitlicher Verzögerung zum Zeitpunkt des Austritts des Gasstrahles betätigt, so dass das Kraftstoff-Luft-Gemisch zunächst durch das Trägergas konditioniert und unmittelbar daran sowohl thermisch auf Grund der Eigentemperatur des Trägerga¬ ses als auch ggf. mit Unterstützung durch zusätzlich zugeführte elektrische Zünd¬ impulse gezündet wird. Die Zündung des Gemisches bzw. die Verbrennung des Gemisches kann durch nachfolgende Zündimpulse aufrecht erhalten werden. Dies führt zu einer wesentlich verbesserten Verbrennung des Gemisches, die darüber hinaus durch das beim Zündvorgang entstandene Trägergasplasma auch nach Ab¬ klingen der Verbrennung sowie durch weitere, kurze Trägergasstöße noch weiter unterhalten wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass noch im Abgas befindliche Russpartikel vollständig verbrannt werden und sich somit zusätzlich eine erhebliche Reduzierung der Russpartikelemission ergibt.

In Fig. 12 ist eine schematische Darstellung des Wirkprinzips mittels einer mit inne- rer Kraftstoff-Luft-Gemischbildung und Fremdzündung beispielhaft ausgeführten Verbrennungskraftmaschine nach dem Dieselprinzip gezeigt, die mit einer verein¬ fachten Gemischbildung arbeitet. Diese konstruktive Anordnung ist besonders für bereits im Verkehr befindliche Fahrzeuge mit Dieselmotoren geeignet. Sie erlaubt zusammen mit der Bereitstellung der Trägergasversorgung, ggf. ergänzt durch ge- ringfügige Maßnahmen auf Seiten der Kraftstoffversorgung, die einfache und mit geringem Mitteleinsatz im Rahmen einer Nachrüstung durchzuführende Umstellung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur homogenen Gemischbildung. Die Erwei¬ terung gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 besteht im wesentlichen darin, dass die im Zylinderkopf des Arbeitszylinders 10 bereits vorhandene Kraft- Stoffeinspritzdüse 24 durch ein einfaches Trägergasventil 26 nach Fig. 2 ergänzt wird.

In ähnlicher Weise zeigt Fig. 13 in einer Weiterbildung der Ausführungsform nach Figur 9 eine Darstellung des Wirkprinzips mit der Möglichkeit zur homogenen, äu- ßeren Gemischbildung von bereits im Verkehr befindlichen Verbrennungsmaschi¬ nen nach dem Ottoprinzip im Rahmen einer Nachrüstung. Hierzu ist zunächst die Zuführung des Kraftstoffes durch eine bereits in der Einlassleitung vorhandene Kraftstoffeinspritzdüse 24 oder durch einen nicht gezeigten Vergaser vorgesehen. Der Unterschied zu Fig. 9 liegt in der geänderten Anordnung und erweiterten Funk- tion des Trägergasventils für das Trägergas. Die ursprünglich vorhandene Zündker¬ ze wird durch das Trägergasventil 127 in einer Ausführung nach Fig. 11 ersetzt. Dieses vereint in einem Element die Funktionen Einblasen und Fremdzünden, wo¬ bei die gezielte Fremdzündung des Gemisches durch den heißen Gasstoß als auch mit Unterstützung durch ein Zündelektrodenpaar 134,136 durchgeführt wird. Nach Einblasen des Trägergases findet zunächst die Konditionierung des Kraftstoff-Luft- Gemisches und damit die Homogenisierung-des Gemisches statt. Danach setzt die Zündung innerhalb des Gemisches und mit geringer Verzögerung die nachfolgende homogene Verbrennung ein. Innerhalb der entstehenden Flammenfront erfolgt die Umsetzung der thermischen Energie in mechanische Energie mit einer weitgehend reduzierten Emission von Stickoxiden und Ruß im Abgas. Noch nicht vollständig verbrannte Rußpartikel werden durch Gasstöße mit heißem Trägergasplasma, die in die Nachbrennphase abgegeben werden, weitgehend vollständig verbrannt.

Obgleich in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele aufgezeigt und detailliert beschrieben sind, sollte dies als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben sind und sämtliche Veränderungen und Modifizierungen, die derzeit und künftig im Schutzumfang der Erfindung liegen, geschützt werden sollen. Bezugszeichenliste:

8 Verbrennungskraftmaschine 10 Arbeitszylinder 12 Hubkolben 14 Verbrennungsraum 16 Gemischkammer 17 Heizeinsatz 18 Einlassventil 20 Auslassventil 22 Ventil 24 Kraftstoffeinspritzdüse 26 Trägergasventil 28 Kraftstoffieitung 30 Kraftstoffpumpe 32 Kraftstoffhochdruckspeicher 34 Kraftstoffheizelement 36 Trägergashochdruckspeicher 38 Trägergasverdichter 40 Trägergashochdruckspeicher 42 Trägergasheizelement 44 Luftzuleitung 46 Luftverdichter 48 Luftdruckbehälter 50 Luftheizelement 52 Lufteinblasventil 54 Einlassleitung 56 Abgasleitung 70 Hauptventilkörper 72 Zwischenkammer 74 Hilfsventil 76 Ventilhauptsitz 77 Ventilnebensitz 78 Druckfeder 80 Trägergasleitung 82 Servohydraulisches Steuermodul 83 Elektromagnetisches Steuermodul 84 Einblaskopf 85 Primäröffnung 86 Gasauslass 87 Sekundäröffnung 88 Trägergasanschluss 89 Primärströmung 90 Auslasskanal 91 Sekundärströmung 92 Steuerhydraulikanschluss 93 Fokussierzone 94 Steuer- und Hilfselektrikanschluss 95 Verengung 96 externer Teilstrom 100 Gemischeinblasventil 102 Trägergaszuleitung 104 Kraftstoffzuleitung 106 Ventil 108 Hilfselektronik/-hydraulik 110 Luftfilter 112 Luftverdichter 114 Lufttrennsystem 116 Trägergasverdichter 118 Abgasaufbereitungssystem 120 Abgasverdichter 122 Steuermodul 125 Drosselklappe 126 Zündkerze 127 Trägergasventil mit Zündelektroden 130 Ventilkörper 132 Auslasskanal 134 Masseelektrode 136 Zündelektrode 137 Luftspalt 138 Zündelektrodenhalterung 140 Zündanschluss