DE1900404C3 - Kolbengesteuerte, gemischverdichtende Zweitakt-Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung entgegen dem Luftstrom und mit einem eine Einspritzdüse und eine Zündkerze aufnehmenden Zylinderkopfbrennraum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kolbengesteuerte, gemischverdichtende Zweitakt-Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung entgegen dem Luftstrom und mit einem eine Einspritzdüse und eine Zündkerze aufnehmenden Zylinderkopfbrennraum, der von einem einen Randbereich des Kolbens abdeckenden Zylinderkopfvorsprung mit sich daran anschließender Vertiefung gebildet ist.

Brennkraftmaschinen mit einer im Zylinderkopf angeordneten Wirbelkammer sind bereits durch die DL-PS 14 028 und die DL-PS 20 882 bekannt. Bei diesen bekannten Ausbildungen hat die Wirbelkammer die Form eines sich nach dem Zylinder hin öffnenden Trapezes, das auf der dem austretenden Strom der Verbrennungsgase zugekehrten Seite mit einer sich bis zum Rand des Zylinders erstreckenden Nase versehen ist. Der Spülluftstrom im Brennraum selbst liegt dabei im wesentlichen quer zur Einspritzrichtung. Die Wirbelkammer erstreckt sich über etwa ¹Ii der Oberfläche des Kolbens. Sie führt zwar zu einer Wirbelbildung des zu zündenden Gemisches und begünstigt hierdurch die Verbrennung, doch wird durch diese Ausbildung und die gegenseitige Anordnung der Zündkerze und der Einspritzdüse das eingespritzte Gemisch aus der Vertiefung herausgespült. Dadurch wird nur eine gute Durchwirbelung und Vermischung erreicht und eine Vergleichmäßigung der Verbrennung herbeigeführt.

Demgegenüber befaßt sich die Erfindung jedoch nicht mit der Aufgabe, nur eine gute Durchmischung des in den Zylinder eingeführten Kraftstoffes mit der Verbrennungsluft und damit eine Vergleichmäßigung zu erreichen, sondern sie hat eine solche Ausbildung und Anordnung des Brennraums Ober dem Zylinder zur Aufgabe, daß im Bereich der Zündkerze ein verhältnismäßig reiches Luftgc misch gebildet wird und auch aufrechterhalten bleibt, während ein verhältnismäßig mageres Gemisch den übrigen Zylinderraum ausfüllt. Die-S se Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelös'.. dall die Kraftstoffeinspritzung in eine Randschicht des am Zyiinderkopfvorsprung abgelenkten Luftstromes in Richtung auf die der Einspritzdüse gegenüberliegende Brennraumwand erfolgt und daß der in der Vertiefung

to durch Umlenkung zurückgehaltene Kraftstoff durch die nachströmende Luft als Schicht herausgetragen wird.

Die neue Ausbildung und der neuartige Betrieb der Brennkraftmaschine führt zu einer besseren Wärmewirksamkeit und allgemein gesehen zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig bester Ausnutzung der Verbrennung und dementsprechend geringeren Anteil an Schadstoffen in den Abgasen.

An sich ist der Betrieb einer kolbengesteuerten gemischverdichtenden Zweitakt-Brennkraftmaschine mit

ίο geschichteter Ladung nicht neu. doch scheiterten die bisherigen Vorschläge an dem Mangel der Beherrschung der Verbrennung hinsichtlich des Gehaltes an Schadstoffen in den Abgasen. Es ist zu beachten, daß mit größer werdendem Kraftstoff-Luft-Verhältnis die Verbrennung langsamer wird und gleichzeitig die Abgastemperatur ansteigt. Die Brennkraftmaschine neigt zu einem ungleichmäßigen Lauf und Fehlzündungen. Auch kann der Anteil von NOx bis zu einem Höchstbetrag ansteigen. Mit einer etwaigen Steigerung des Verdkhtungsverhältnisses zur Leistungssteigerung steigt auch der Anteil von NOx weiter an.

Auch der Weg der Rückführung eines Teiles der Abgase in den Einlaß ist denkbar. Er führt jedoch zu einer Verringerung der Leistung und scheidet daher für die praktische Anwendung aus. Man könnte auch zur Verwirklichung der geschichteten Beladung daran denken, in der Kolbenkrone eine Aussparung vorzusehen, in die dann der Kraftstoff eingespritzt wird. Eine derartige Ausbildung scheitert jedoch an dem unzumutbaren Aufwand für die Kraftstoffzuführung an dieser Stelle. Auch wird der Kolben dann thermisch überbelastet und seine Haltbarkeit wird erheblich verringert.

Nach einer besonderen Ausführungsform nimmt die Tiefe der Vertiefung in Richtung des Wirbelstroms zu, während der in sie eingespritzte Kraftstoff nach der Wandung des Zylinderkopfes zu abgelenkt wird, wobei die tiefste Stelle der Vertiefung dem ankommenden Gemischwirbel zugeordnet ist, die Breite der Vertiefung größer als ihre Tiefe ist und eine scharfe Ab-

so schlußkante der Vertiefung gegenüber dem Anschluß an den Zylinderkopfvorsprung im Bereich des ankommenden Luftstromes vorhanden ist.

Es wird bemerkt, daß die Bezeichnung »Kraftstoffeinspritzung« vorliegend auch das Einblasen von gas-

SS förmigem Kraftstoff umfassen soll.

In den Zeichnungen sind Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert, und zwar am Beispiel einer Zweitakt-Brennkraftmaschine, die nach der Schnürle-Spülung arbeitet. Es handelt sich somit um eine Zweite takt-Brennkraftmaschine von einfacher Ausbildung. Im einzelnen ist

F i g. I ein schematischer Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine,
F i g. 2 in größerem Maßstab ein Teilquerschnitt zu der F i g. 1,

F i g. 3 und 4 schematisch gehaltene Teilquerschnitte in noch größerem Maßstab, die den Weg der Tröpfchen des feinverteilten Kraftstoffs erläutern.

F i g. 5 ein Querschnitt durch den Zylinderkopf mit einer anderen Ausführungsform der Einspritzdüse.

F i g. 6 ein schematisch gehaltener Querschnitt durch den Zylinderkopf zur Verdeutlichung des Weges der Kraftstoffteilchen bei der Ausbildung nach der F i g. 5.

F i g. 7 ein Querschnitt durch den Zylinder einer wiederum anderen AusfOhningsform mit den wesentlichen Teilen zur Herbeiführung der geschichteten Ladung.

F i g. 8 ein schematisch gehaltener Querschnitt durch den Zylinderkopf nach der F i g. 7 unt<T Angabe des Weges der Kraftstoffteilchen.

Bei der Ausführung nach den F i g. 1 bis 4 ist der Kolben 1 mit einer Kolbenstange 13 verbunden, die in das Kurbelgehäuse 12 der Maschine ragt. Der Kolben I ist >n einem Zylinder 4 verschiebbar geführt. Der Zyiinder 4 hat einen Auslaß 2 und eine Spülluftdurchbrechung 3, die beide durch den Hin- und Hergang des Kolbens 1 im Zylinder vorübergehenc¹ freigegeben werden. Der Zylinderkopf 5 ist eiwa kugelkaloilenförmig gehalten und hat an einer Stelle eine Ausnehmung 6. deren Radius kleiner ist a!s der der Kugelkalotte und sich über diese hinaus erstreckt. Im Bereich dieser Ausnehmung 6 durchsetzt die Zylinderwand eine Einspritzdüse 7, die der Zufuhr des Kraftstoffes dient. Die die Düse 7 verlassenden feinen Kraftstoffteilchen strömen zunächst etwa entlang der Wand der Aussparung 6 und gelangen dann in den Bereich eines wirbelnden Stromes frischer Luft S innerhalb des Zylinders 4, wobei die sich die Wirkung der Schichtung des brennbaren Gemisches längs der Innenwand des Zylinders ergibt.

Die Aussparung 6 in dem Zylinderkopf 5 hat in etwa die Form einer Halbkugel oder sonst eine Form, die geeignet ist, zu einer Schichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beizutragen. Die Wand der Aussparung ist so geformt, daß eine vordere Kante 8 entsteht, die eine Grenze zwischen dem Zylinderkopf S und der Aussparung 6 bildet. Gs schließt sich eine senkrechte oder geneigte Wandfläche 9 an, die leicht gebogen ist und sich über einen flachen oder gekrümmten oberen Wandbereich 10 erstreckt. Von oben her betrachtet ist die Vorderkante 8 konzentrisch zu einem Kreisbogen der Wandung des Zylinders 4 geführt. Die Aussparung 6 nimmt außerdem im Scheitel eine Zündkerze 11 auf sowie die Einspritzdüse 7, die auf der der Kante 8 gegenüberliegenden Seite vorgesehen und in einem Winkel gegen die Zündkerze 11 geneigt ist. Die Einspritzdüse 7 hat eine Düseniffnung T an der Seite, die der Aussparung 6 zugekehrt ist, und die so gehalten ist, daß der aus ihr ausgespritzte Kraftstoff in den wirbelnden Luftstrom S gelangt. Dieser geht von dem Spülstrom des Zylinders 4 aus. Die Innenwand der Aussparung 6 ist so gehalten, daß sich in ihr ein örtlicher Luftstrom bilden kann.

Obwohl in den Zeichnungen nicht wiedergegeben, hat die Einspritzdüse 7 in der Regel drei oder mehrere Bohrungen 7'. aus denen der Brennstoff bereits in gleichmäßig dispergierter Form von Brennstofftröpfchen austritt. Wenn nur zwei dieser Düsenbohrungen vorgesehen sind, so reichen diese nicht aus, um einen homogenen Nebel an der gegenüberliegenden Seite zu bilden. In der unmittelbaren Nähe der Einspritzrichtung werden die einzelnen Brennstoffströme nicht übermäßig breit über die Innenwand des Zylinders verspritzt. Sie treten hier in Strahlenform aus. Es ergeben sich jetzt Überlegungen, wie man erreichen kann, daß diese 6j Brennstoffstrahlen ausreichend breit versprüht werden, so daß sich ein homogenes Gemisch im Bereich des Zylinderkopfes 5 ergibt, das von dem wirbelnden Luftstrom 5 getragen wird und zu einer beständigen ge- '; schichteten Beladung führt ■ ■ : :^!

Für die Zwecke der Erfindung dient die Aussparung ,V 6 als Unterschlupf, in dem die Brennstoffteilchen, die '^: eingespritzt werden, nicht unmittelbar in den wirbelnden Hauptluftstrom 5 des Zylinders 4 gelangen, sondern vorübergehend festgehalten und so gemischt werden, daß eine große Menge der feinen Tröpfchen in ihnen erhalten bleibt. ■?\ '

Wenn der Kolben 1 des Zylinders 4 aus der oberen , Totpunktlage in der Nähe des Zylinderkopfes in die untere Totpunktlage nach unten führt, wird zunächst ^;':,_:. der Auslaß zum Öffnen freigegeben, so daß ein Teil der Abgase entweichen kann. Erst dann wird die Spülöff- . .' nung 3 freigegeben, während die frische Luft, die in ■.,.■.; dem Kurbelgehäuse 12 verdichtet wurde, durch die Spülöffnung 3 in den Zylinderraum in Form des wirbelnden Spülluftstromes Seingepreßt wird, wie dies als gestrichelte Linie in der Fig. 1 angedeutet ist. Auf diese Weise werden zunächst die in dem Zylinder 4 verbliebenen Abgase ausgespült und dann erst wird der ·.·'■ ·, Zylinder 4 mit frischer Luft gefüllt. Während der Kolben 1 die untere Totpunktlage durchläuft, ist sowohl < der Auslaß 2 als auch die Spülöffnung 3 offen. Der ·· Spülvorgang wird vollendet und ein starker Spülluftstrom S ergibt sich im Inneren 20 des Zylinders 4. Mit " '·.; dem dann einsetzenden Aufwärtshub des Kolbens 1 wird zunächst die Spülöffnung 3 und dann der Auslaß 2 geschlossen. De·· Luftstrom in dem Zylinder 4 bleibt bestehen, wobei der wirbelnde Luftsi.om S nach der Fig.2 zufolge der Momenterhaltung bzw. durch die ihm eigene Kraft nur langsam gedämpft wird.

Der wirbelnde Luftstrom S hat einen Drehvektor senkrecht zur Zylinderachse und die Verteilung der . _;, ■ Luft sowie der bereits vorhandenen Gase aus dem vor· ■■' ., ·' angegangenen Arbeitshub ist in diesem Bereich des . ," -' Wirbels derart, daß der Anteil der verbrannten Gase in ₍,. dem Mittelbereich groß ist, während der Anteil an fri- .,■'■, ■ scher Luft im Umfangsbereich groß ist. ... ■ ..·

In ein solches Feld wird der Strom des Kraftstoffs von der Düse 7 eingespritzi, wobei sich feinverteilte · \ .: Tröpfchen ergeben. Das Einspritzen erfolgt in die Aus- .; sparung 6 des Zylinderkopfes 5 und gegen den Wandungsteil 9, so daß es von der Luft wenig beeinflußt wird. Auf diese Art wird ein zu einer Kraftstoffvergeudung führendes Einspritzen vermieden. Die Geschwin- ' digkeit in dem nicht brennbaren Bereich bleibt gering, während das Versprühen und das Mischen der feinen ' Teilchen in dem Hohlraum bis zu einem Höchstwert begünstigt wird. Oder mit anderen Worten, die eingespritzten Kraftsloffteilchen werden zu einem Strom abgelenkter und dispergierter Kraftstoffteilchen umgeformt. Es ergibt sich dabei eine homogene Masse Kraftstofftröpfchen oder eine Masse, die aus einem Gemisch aus Luft und Kraftstoffteilchen besteht und sich dabei über den ganzen Bereich der Aussparung 6 erstreckt.

Die vorbeschriebenen Vorgänge werden durch die Kombination der Wirkung der Luftströme 5und Si unterstützt, während die Dispersions·, Verteilungs- und ; Mischwirkung sowie das Fortleiien unterstützt werden zur Begünstigung der geschichteten Ladung. Genauer gesagt, führt der Fluß der Luftströme Sund Si zu einer Wirkung, wie sie mit einem Turbulenzerzeuger an der Vorderkante 8 der Aussparung 6 erreicht werden kann. Eine örtliche Turbulenz, die in diesem Bereich erzeugt wird, führt zu einer guten Gemischbildung. Dabei ergibt sich auch eine gute Dispersion und Vereinigung

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der Luft mit der Masse der Kraftstorfteilchen. Das hier erhaltene Gemisch ist gegen die äußere, umfängliche Region des Luftwirbels reicher und magerer nach dem inneren und mittleren Bereich hin. Da die Luft in einem Wirbel strömt, unterliegt sie der Zentrifugalkraft, und da in diesem Bereich der Anteil an frischer Luft größer ist, ergibt sich ein reicheres Gemisch mit entsprechend größerem spezifischem Gewicht gegenüber dem äußeren Bereich bei sehr stabilem Fluß. Auf diese Weise bleibt insgesamt betrachtet die Stabilität trotz der örtlichen Mischwirkung durch die Turbulenz aufrechterhalten, so daß die Bildung einer Gemischschicht, die zur Zündung zu mager ist, vermieden oder auf ein Mindestmaß beschränkt wird.

Wie bereits ausgeführt, wird insgesamt über die ganze Brennkammer ein reiches Kraftstoff-Luft-Gemisch . aufrechterhalten, so daß ein Vergeuden von Kraftstoff und die Bildung von für das Zünden zu mageren Zonen verhütet wird. Dadurch wird auch der Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgasen auf einem Minimum gehalten. Von der Menge der eingespritzten Kraftstoffteilchen trifft ein Teil auf die Wand der Brennkammer und wird dort niedergeschlagen. Diesem Vorgang kommt nur untergeordnete Bedeutung zu. Die größere Menge der Kraftstoffteilchen wird schnell verdampft, da die feinen Teilchen weit gestreut werden, während die Temperatur der Wand mäßig hoch gehalten wird und die Temperatur des Gemischs nur mit dem Fortgang der Verdichtung zunimmt. Wenn Kraft-Stofftröpfchen wenigstens zum Teil als solche bis zum Ende des Verdichtungshubes zurückbleiben, wird deren Verdampfen durch die Zünd- und Verbrennungstemperatur begünstigt und sie werden langsam mit in die geschichtete Ladung übernommen und nehmen dann an der vollkommenen Verbrennung teil.

Es soll jetzt der Fall eines einzelnen Tröpfchens des durch die Düsenöffnung T eingespritzten Kraftstoffes nach der F i g. 3 betrachtet werden. Im Punkt Punmittelbar nach dem Einspritzen ist der Geschwindigkeitsvektor PP' erheblich größer als der Vektor der Luftgeschwindigkeil PP", und demzufolge ist der Einfluß, dem die Bewegungsbahn des Tröpfchens unterliegt, begrenzt und die Abweichung voader Linie QQ', die die ursprüngliche Bewegungsrichtung ist. wenn man den Wirbelstrom 5 unberücksichtigt läßt, kann vernachlässigt werden. In Wirklichkeit sind aber die Tröpfchen so klein, daß ihre Geschwindigkeit sehr schnell abfällt und bereits an der Stelle R der Geschwindigkeitsfaktor RR' sehr stark verringert ist. Andererseits wird der Vektor des wirbelnden Luftstromes 5 wenig verändert und kann als PP" angenommen werden. Die Beeinflussung, die die Bahn der Tröpfchen erfährt, ist somit groß und die Ablenkung nimmt zu. Die Tröpfchen folgen somit der Bahn QQ".

Selbst wenn die Kraftstoffteilchen in der gleichen Richtung und mit gleicher Geschwindigkeit eingespritzt werden, durchlaufen sie doch, von der Größe abhängig, verschiedene Bahnen. So folgt etwa nach der Fig.4 ein verhältnismäßig großer Tropfen der Bahn QQi mit geringer Krümmung. Tröpfchen kleinerer Größe folgen etwa den Bahnen QQl oder QQi. Noch kleinere Tröpfchen neigen zum Reiten auf dem Wirbel S und werden etwa längs der Bahnen QQA bzw. QQS geführt bevor sie auf die Wand der Aussparung 6 auftreffen. Die Menge der eingespritzten Kraftstoffteil· chen schlägt eine bestimmte Bahn ein bei einer gewissen Ausbreitung, obwohl der Kraftstoff feinverteilt ist Demzufolge wird ein Teil des Kraftstoffes, nämlich derjenige, der aus den verhältnismäßig großen Tropfen besteht, über einen großen Bereich der Wandfläche verteilt und an dieser abgelagert, während der Rest, der den größeren Teil darstellt, zum inneren Teil des Zylinderkopfes 5 gelangt, der in Richtung des wirbelnden Luftstromes S abgebremst und mit diesem mitgenommen wird.

Nach diesen Ausführungen ist es möglich, die Bewegungsbahnen der KraftslofItröpfchen entsprechend der ίο Lage und der Höhe der Düse 7 sowie der Form der Innenwand des Zylinderkopfes S anzupassen und damit die Verbreitung der Bewegungsbahnen zu beeinflussen sowie die Konzentration und die Verteilung des Gemisches an der Wandfläche zu regeln.

ij Die Dichte dieser geschichteten Ladung kann durch Änderung der Lage der Düse 7, der Form der Innenwand des Zylinderkopfes S usw. geändert werden. Durchgeführte Versuche haben bestätigt, daß bei der Ausbildung des Zylinderkopfes nach den F i g. 1 bis 4 die Vorderkante 8 mit dem Wirbel Seinen Winkel bildet, wobei die Grenzlage hiervon nach unten dick ist oder einen örtlichen Gegenflußbereich ergibt, um eine Turbulenz außerhalb dieses Bereiches aufrechtzuerhalten, wobei das Gemisch, das die feinen Kraftstofftröpfchen enthält, gegen oder über den Winkelteil und den ganzen Bereich des Zylinderkopfes 5 gesprüht wird und sich ein durchaus erwünschter Verbrennungsvorgang einstellt.

Wenn demzufolge der Kraftstoff in Richtung gegen den wirbelnden Luftstrom in den Zylinder eingespritzt wird, wird die Zündflamme über den ganzen Bereich in dem Zylinderkopf versprüht. Dies besagt, daß die Wärmebelastung für die Innenseite des Kopfes 5 groß ist, aber gering für den Kolben I, was von der Betrachtung der Kühlung und von der Schmierung her sehr erwünscht ist. Auch ist dies sehr vorteilhaft für die Reinigung der Abgase. Selbst wenn Kohlenwasserstoffe während des Verbrennungshubes und des Expansionshubes an der Innenseite des Zylinderkopfes S unver- brennt bleiben, arbeitet die dann eintretende Spülluft in gleicher Weise wie die Luft, die durch das Auslaßventil einer üblichen Viertaktmaschine eingesaugt wird Dies besagt, daß die Reaktion dieser unverbrannt gebliebenen Bestandteile durch die Zufuhr frischer Luft begiinstigt wird und nicht nur zur Abgabe reinerer Abgase beiträgt sondern auch eine große Verbrennungsbelastung auf die Innenwandfläche des Zylinders ergibt, die sehr wirksam ist und den Eintritt des erstrebten Erfolges begünstigt.

so Bisher wurde das Einspritzen des Kraftstoffes als zu einem Zeitpunkt vorgenommen näher erläutert, bei dem das Spülen bereits vollendet ist und der Lufteinlaß sowie der -auslaß bereits geschlossen sind und der Luftstrom in dem Zylinder schon in Wirbelung versetzt

SS worden ist In Wirklichkeit wird der Kraftstoff in einen Luftstrom eingespritzt der die Norm eines Spülluft- · stromes oder eines auf diesem beruhenden Luftstromes hat und der fließt während der Auslaß und der Einlaß offen sind, bis der feinverteilte Kraftstoff oder das mit diesem gebildete Gemisch durch den Auslaß ausströmt Dies ist besonders vorteilhaft bei übermäßiger Belastung, da das Dispergieren, Mischen und das Verdampfen des Kraftstoffes dann bereits erfolgt ist
Die F i g. 5 und 6 erläutern eine zweckmäßige Ausbildung, bei der ein gasförmiger Kraftstoff, etwa Propan, verwendet wird, der unmittelbar in die Maschine eingespritzt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Spitze des »Einspritzventils« 17 gebogen, verlin·

gen und mit einem Spritzröhrchen 16 versehen, das abgeflacht ist und sich seitlich von der Spitze erstreckt, so daß der gasförmige Kraftstoff in die Aussparung 6 des Zylinderkopfes S unter einem bestimmten Winkel »eingespritzt« werden kann. Dieser Winkel hat die j Aufgabe, ein Vermischen des eingespritzten Stromes V mit dem Wirbel S zu erreichen, der auf der Spülluft in dem Zylinder 4 beruht. Das Einspritzventil 17 ist von einer Magnetspule gesteuert und dient dazu, einen gesteuerten Druckgasstrom einzuspritzen, der die Möglichkeit gibt, den Kraftstoff in die Brennkammer einzuführen, während das Ventil bei überwachter Öffnung über einen berechneten Kurbelweg nach dem Schließen des Auslasses 2 offengehalten wird, wobei dieser Kurbelweg sich nach der Drehzahl der Maschine und der S ellung der Kurbel richtet (nicht dargestellt).

Das Düsenröhrchen 16 hat einen Auslaß 15, durch den der gasförmige Kraftstoff mit hoher Geschwindigkeit und mit einem gewissen Winkel eingespritzt wird. In dem nahe dem Auslaß 15 liegenden Teil des Stromes ist der Anteil der Luft so gering und die Strömungsgeschwindigkeit so groß, daß diese Faktoren nur wenig von dem wirbelnden Luftstrom S in dem Zylinder 4 beeinflußt werden. Es bestehen daher nur geringe Aussichten für ein Ablenken des Stromes S. Mit der Fortbewegung des »eingespritzten« Gases erfolgt ein zunehmendes Vermischen mit der umgebenden Luft, und der Gasstrom nimmt unter langsamer Verringerung der Geschwindigkeit an Breite zu. Unter Unterstützung durch die Form des Zylinderkopfes 5 und die Aussparung 6 vird dann die Geschwindigkeit des Gases mit der Annäherung an die innere Wandfläche beträchtlich herabgesetzt. Zusätzlich wird unter dem starken Einfluß des Wirbelstromes 5 in dem Zylinder 4 der Gasstrom auch nach unten abgelenkt (F i g. 6) und längs der Innenwand verteilt. Er wird dabei von dem wirbelnden Luftstrom 5 mitgenommen, wobei ei etwa auf diesem reitet. Insbesondere, weil die vordere Kante 8 des Zylinderkopfes 5 etwas gegen den Wirbelstrom S vorspringt, ergibt sich eine starke Grenzschicht mit entgegengesetzt gerichteter Strömung unterhalb der Kante 8 oder eine Turbulenz wegen der Trennung von dem Strom S mit dem Ergebnis, daß das Gemisch über den ganzen Bereich der Aussparung 6 homogenisiert wird.

Das Einspritzen des Kraftstoffes dient zum Ausbreiten des Gemisches und gleichzeitig zum Beschleunigen der Turbulenz und Verlangsamung des Wirbels. Eine starke turbulente Strömungskomponente, die sich wandelt, begünstigt dabei die Verbrennungsgeschwindigkeit. In der Zeit, während welcher das Ausbreiten des Gemisches vollendet wird, neigt die mittlere Zirkulationsgeschwindigkeit des Wirbels insgesamt zu einer Abnahme.

Beim Vorverlegen des Zeitpunktes des Einspritzens wird das Einspritzen, wie vorbeschrieben, auf eine Zeitspanne ausgedehnt, während welcher der bereits eingespritzte gasförmige Kraftstoff mit dem* wirbelnden Luftstrom 5 gemischt und dann fortlaufend von der Innenseite des Zylinderkopfes 5 nach der Oberseite des Kolbens 1 geführt wird, bis der Zylinder 4 mit Gemisch angefüllt ist.

Andererseits wird bei Verzögern der Einspritzzeit und deren Beschränkung auf eine kurze Zeitspanne eine geschichtete Ladung in dem Zylinderkopf 5 erreicht. Wenn dann das Gemisch mittels der Zündkerze 11 einige Zeit nach dem Einspritzen gezündet wird, erfolgt das Auslösen der Zündung.

Die intensität der Schichtung läßt sich durch Änderung der Lage, der Form und der Richtung des Düsenröhrchens 16 und dessen Mündung 15 sowie durch die innere Formgebung des Zylinderkopfes 5 steuern. Der auf diese Weise eingespritzte gasförmige Kraftstoff, wird dabei vollkommen gemischt, verteilt und geschieh-, tet.

Nach der F i g. 7 hat das Einspritzventil 17 eine Düse 7. die so ausgerichtet ist, daß sie den Kraftstoff entweder in einem Winkel oder parallel zum oberen Wandbereich 10 einer geneigten Ebene, der Innenfläche des Zylinderkopfes 5 in der Nähe der tiefsten Stelle der Aussparung 6 einspritzt. Die Düse 7 hat eine oder meh- ! rere Abgabebohrungen und ist dazu geeignet, den Kraftstoff in einem gewissen Winkel zur Begünstigung der Dispersion des Kraftstoffs einzuspritzen. Selbst mit nur einer Abgabebohrung von einfacher Form läßt sich eine ausreichende Verteilung des Kraftstoffes durch die kombinierte Wirkung aus dem entgegengesetzt gerich- ■' teten Luftstrom und der Form des Zylinderkopfes erreichen.

Nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Zündkerzen H in der Aussparung 6 des Zylinderkopfes 5 vorgesehen. Davon liegt eine stromabwärts der Düse 7, wenn man die Fließrichtung des Spülluftstromes in Betracht zieht, während die andere an sonst passender Stelle der geneigten Fläche der Aussparung 6 vorgesehen ist. Die Innenform der Aussparung 6 ist nach den F i g. 7 und 8 so gehalten, daß sich eine sektorförmige, geneigte Spitzenform des oberen Wandbereichs 10 und eine Teilfläche 18 ergeben, die beide einen Raum begrenzen, in dem der eingespritzte Kraft- ' stoff strahl durch den Spülluftstrom S oder einen auf ■".. diesem beruhenden Luftstrom verteilt und verhältnismäßig beruhigt aufgenommen wird, da der umgebende Wandteil nicht der Einwirkung einer hohen Strömungsgeschwindigkeit der Luft des Hauptspülstromes oder dessen Hauptwirbelstromes unterliegt. Die vordere Kante 8 hat vorteilhaft eine Bogenform und ist konzentrisch zu dem Zylinder 4 ausgerichtet, wie es sich insbesondere nach der Ausbildung nach der F i g. 8 ergibt. Es . kann an die Kante 8 eine geneigte Fläche an Stelle der senkrechten Fläche anschließen. In jedem Fall wird die Masse der eingespritzten Teilchen so abgelenkt und dispergiert, daß sich ein Teilchenstrom bildet, der den Bereich vor der Aussparung 6 ausfüllt und der eine verhältnismäßig homgene Masse Kraftstoffteilchen bildet, die sich über den vorderen und hinteren Bereich der Aussparung 6 erstreckt. Darüber hinaus werden die Teilchen vorübergehend festgehalten, so daß sich eine hohe Teilchendichte mit beständiger Schichtung der Ladung ergibt. Dies besagt, daß die Kraftstoffteilchen eine zusammengesetzte Flugbahn durcheilen mit der Neigung, nach außen längs des oberen Wandbereichs . 10 bewegt zu werden, während sie sich dem oberen Wandbereich 10 nähern und vcn dem Luftstrom 5 mitgenommen werden, wobei sie die kinetische Energie zum größten Teil in der Richtung verlieren, in der sie durch die Düse 7 eingespritzt worden sind. Da der Luftstrom in der Nähe des Zylinderkopfes 5 wirbelt und die Kraftstoffteilchen der Zentrifugalkraft unterliegen, wirkt auf sie eine Kraft ein, durch die sie nicht nur in die Nähe der Innenwand des Kopfes 5 gebracht, sondern auch gleichzeitig extensiv über die Innenwand des Kopfes 5 versprüht und dabei mit der Luftströmung gemischt werden, die eine heftige Wirbelung hat. Auf diese Weise ergibt sich eine geschichtete Ladung mit einem Gemisch, das nach dem Innenraum des Zylinderkopfes 5 hin reicher ist.

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Wenn auch von der Einspritzrichtung der Düse abhängig, so gelangt doch nur ein kleiner Teil der eingespritzten Teilchen in verteiltem Zustand zur Anlage am oberen geneigten Wandbercich 10 oder an deren Wandungsteilcn. Diese geringe Menge wird mit dem Erhitzen der Wand verdampft und dann durch die Zündflamme verbrannt. Dies ist jedoch nur ein Teil eines sekundären Vorganges bei der Bildung des brennbaren Gemisches. Der größte Teil des in der Form von feinen Teilchen vorliegenden Brennstoffes, wie er aus der Düse 7 kommt, wird auf die hohe Geschwindigkeit des Luftstroms gebracht und dann im Verlauf des Verdichtungshubes mit dem Anstieg der Lufttemperatur ebenfalls auf höhere Temperatur gebracht und dabei geschichtet sowie beschleunigt und verdampft, bis etwa ein Gemisch feinverteilten Kraftstoffes oder eine Wolke, die den feinverteilten Kraftstoff enthält, umher bewegt wird.

Da die Innenform des Zylinderkopfes S gegen die Zündkerze 11 konvergiert, wird auch unter der Wirkung der Zentrifugalkraft des wirbelnden Luftstromes das Gemisch in der Nähe der Zündkerze Il als verhältnismäßig reiche Wolke angelagert. In der Aussparung 6, die auch die Zündkerze 11 aufnimmt, wird ein verhältnismäßig geringer Luftstrom aufrechterhalten.

Die durch die Düse 7 eingespritzten Kraftstoffteilchen enthalten neben Teilchen mit hoher Geschwindigkeit auch solche mit besonders kleinen Abmessungen. Diese Teilchen werden schnell von dem Wirbel 5 mitgenommen. Sie können beispielsweise an der Verbrennung teilnehmen, an Stelle der Zurückhaltung oder der ·' Ablagerung in der Nähe der Zündkerze 11 und weit aus der geschichteten Zone herausgetragen werden. Der hieraus ableitbare Vorteil schließt eine bessere Ergiebigkeit und eine Verringerung des Anteiles unver· brannter Kohlenwasserstoffe in den Abgasen ein.

Selbst wenn die Menge des in einem Arbeitsgang bei Vollast eingespritzten Kraftstoffes groß ist. gibt die kombinierte Wirkung der Luftströme 5 und S\ den Kraftstoffteilchen die Möglichkeit, derart vollkommen verteilt zu werden, daß jede Gefahr einer Fehlzündung

ίο zufolge eines zu reichen Gemisches im Bereich der Zündkerze 11 ausgeschlossen ist. obgleich es besser ist. das Einspritzen großer Mengen an Kraftstoff auf einem kurzen Kurbelweg zu vermeiden und dabei die gleiche Menge Kraftstoff auf einen größeren Kurbelweg r.u verteilen. Beim Betrieb mit einer solch starken Belastung soll nicht übersehen werden, daß die Verwendung von zwei Zündkerzen 11, die gleichzeitig gezündet werden, zu guten Ergebnissen führt. Nach dem Ausführungsbeispiel sind die beiden Zündkerzen 11 in der Mitte des Spülluftstromes S angeordnet. Versuche haben ergeben, daß der gleiche Erfolg erzielt werden kann, wenn die beiden Zündkerzen im oberen Wandbereich 10 oder in der Seite der Aussparung 6 symmetrisch zur Mittellinie angeordnet sind. Es ist dabei zu bedenken, daß der vorbeschriebene Faktor eng verbunden ist mit der Ausbildung des Zylinderkopfes S.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine führt zufolge der geschichteten Ladung zu einer guten Ausnutzung des Kraftstoffes bei geringem Anteil von Schadstoffen in den Abgasen. Die Ausbildung ist verhältnismäßig einfach und IaBt sich mit geringen Mitteln verwirklichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   f. Kolbengesteuerte, gemisch verdichtende Zweitakt-Brennkraftmaschine mit direkter Kraftstoffeinspritzung entgegen dem Luftstrom und mit einem eine Einspritzdüse und eine Zündkerze aufnehmenden Zylinderkopfbrennraum, der von einem einen Randbereich des Kolbens abdeckenden Zylinderkopfvorsprung mit sich daran anschließender Vertiefung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzung in eine Randschicht des am Zylinderkopfvorsprung abgelenkten Luftstromes in Richtung auf die der Einspritzdüse gegenüberliegende Brennraumwand erfolgt und daß der in der Vertiefung durch Umlenkung zurückgehaltene Kraftstoff durch die nachströmende Luft als Schicht herausgetragen wird.
2. 2. Kolbengesteuerte, gemischverdichtende Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Vertiefung (6) in Richtung des Wirbelstromes zunimmt, während der in sie eingespritzte Kraftstoff nach der Wandung des Zylinderkopfes (S) zu abgelenkt wird, und daß die tiefste Stelle der Vertiefung (6) dem ankommenden Gemischwirbel zugeordnet ist, die Breite der Vertiefung (6) größer als ihre Tiefe ist und daß eine scharfe Abschlußkante (8) der Vertiefung gegenüber dem Anschluß an den Zylinderkopfvorsprung im Bereich des ankommenden Luftstromes vorhanden ist.