DE2336608A1 - Verfahren und vorrichtung zur ladungsschichtung in einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Brennkraftmaschine

Zweitaktmotoren arbeiten gewöhnlich mit einer starken Auflösung oder Verdünnung von frischem Brennstoff und von Luft mit Restgasen. Aus diesem Grunde ist es verhältnismässig einfach, Zweitaktmotoren mit ausreichend geringer NO-Emission zu bauen, welche dem bestehenden Erfordernis von 9,4 g NO pro Meile genügen. Zweitaktmotoren besitzen jedoch gewöhnlich einen sehr starken Ausstoss von HC und CO infolge unvollständiger Mischung, infolge von Brennstoffkurzschluss und infolge von Fehlzündungen bei geringer Geschwindigkeit und bei geringen BMEP-Werten bzw. mittleren Drücken. Motoren dieser Bauart sind infolgedessen ungeeignet vom Standpunkt der Abgas- bzw. Emissionskontrolle, so-

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fern sie nicht mit katalytischen Reaktoren oder mit thermischen Auspuffreaktoren kombiniert werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den sogenannten Brennstoffkur zschiuss in einer Zweitaktmaschine zu vermeiden, indem der gesamte Brennstoff nach Schliessen der Auslassöffnung eingespritzt wird und indem Luft-Brennstoffgemische ausreichend schnell geschaffen werden, um diese Betriebsweise zufriedenstellend zu gestalten.

Der mit Einspritzung versehene Zweitaktmotor soll mit derart vollständiger Mischung arbeiten, dass nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe und CXD einer^Konzentration von mehr als 0, 1 % in der Hauptladung des Motors vermieden werden, wenn das Luft-Brennstoffverhältnis mager gewählt ist.

Es soll eine Strömungsgeometrie geschaffen werden, durch welche wenig oder kein Brennstoff in den Bereich der Kühlung oder Abschreckung oberhalb des obersten Kolbenrandes bzw. der obersten Kolbenschulter gelangt. Es soll erreicht werden, dass die Abschreckzonen der Verbrennungskammer so beschaffen sind, dass ihre unverbrannten Kohlenwasserstoffe nicht zur Auslassöffnung gelangen.

Der mit Einspritzung arbeitende Zweitaktmotor gemäss der Erfindung arbeitet mit einer sehr wirksamen Ladungs-Schichtung, so dass der Motor bei Vorzündung mit einem mageren Gesamtverhältnis von Luft zu Brennstoff von 30 : 1 arbeiten kann, wenn das Verhältnis von Luft zu Brennstoff im Bereich der Zündbrücke beim Zünden nahezu einen stöchiometrischen Wert besitzt. Diese Ladungsverteilung oder

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-Schichtung soll verwendet werden, um die bei geringer Geschwindigkeit und geringen BMEP-Werten stattfindenden Fehlzündungen zu reduzieren oder zu vermeiden. Erfindungsgemäss werden ein perforiertes Zwischenelement und Brennstoffeinspritzung als wirksame Mittel verwendet, um in gleicher Weise eine Ladungsschichtung an Viertaktmotoren zu erreichen, wobei die Ladung während des Kompressionstaktes oberhalb des Zwischenelementes homogen und reich bzw. angesättigt, jedoch während des Arbeitstaktes gut durchmischt und homogen ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügtenZeichnungen erläutert.

Fig. 1 ist eine vertikale Schnittansicht eines mittels Zündkerze versehenen, gespülten Zweitaktmotors, welcher mit einer im Zylinder befestigten perforierten Platte und einer Brennstoffeinspritzung ausgestattet ist;

Fig. 1a ist eine Draufsicht einer Ausführungsform einer im Zylinder befestigten perforierten Platte;

Fig. 2a - 2d sind Draufsichten weiterer Ausführungsformen perforierter Platten;

Fig. 3 ist eine vertikale Schnittansicht unter Darstellung eines gespülten Zweitakt-Dieselmotors, welcher mit einer im Zylinder befestigten perforierten Platte und einem Brennstoffeinspritzsystem ausgestattet ist;

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Fig. 3a ist eine Draufsicht der in Fig. 3 verwendeten perforierten Platte;

Fig. 4 ist eine vertikale Schnittansicht eines Viertaktmotors, welcher mit einer im Zylinder befestigten perforierten Platte und einer zeitlich gesteuert arbeitenden Brennstoffeinspritzung ausgestattet istj

Fig. 4a ist eine Draufsicht der perforierten Platte, welche in dem in Fig. 4 dargestellten Motor verwendet wirdj

Fig. 5 stellt den Massen- und Volumenluftstrom und den Koeffizienten der Schichtbildung gegenüber dem Kurbelwinkel während des Kompressions- und Arbeitstaktes des Motors gemäss Fig. 4 dar; und

Fig. 6 ist eine vertikale Schnittansicht eines Viertaktmotors, welcher mit einer im Zylinder befestigten perforierten Platte und einer zeitlich gesteuert arbeitenden Brennstoffeinspritzung ausgestattet ist.

Die in Fig. 1a dargestellte perforierte Platte 1 aus einem wärmebeständigen Material ist zwischen dem Motor- bzw. Zylinderkopf und dem Zylinder 3 befestigt. Der eine Einlassöffnung 6 und eine Auslassöffnung 5 aufweisende Zylinder bildet mit dem im Zylinder verschiebbaren Kolben 4 einen gespülten Zweitaktmotor. Der Brennstoff wird in die durch die perforierte Platte 1 und den Zylinderkopf 2 gebildete Kammer über eine Brennstoffeinspritzdüse 8 eingespritzt. Am Zylinderkopf 2 ist ferner eine Zündkerze 7 vorgesehen.

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Der Strom zwischen dem konstanten Volumen der durch den Kopf und die Platte 1 gebildeten Kopfkammer und dem fluktuierenden bzw. veränderlichen Volumen des Zylinders 3,4 muss die Durchbohrungen oder Perforationen der Platte 1 passieren. Falls der Strömungsquerschnitt der Perforationen in der Platte 1 einem Fünftel der Querschnittsfläche der den Zylindergasen ausgesetzten Platte 1 entspricht, dann ist die Strömungsgeschwindigkeit durch die Perforationen oder Bohrungen fünf Mal so gross wie die Strömungsgeschwindigkeit durch die gleiche Ebene ohne Verwendung der Platte. Der unter hoher Geschwindigkeit die Perforationen durchsetzende Strom gelangt in das verhältnismässig ruhige Volumen oberhalb oder unterhalb der Platte. Die resultierende Momentübertragung führt zu einer sehr intensiven Turbulenz, welche eine Durchmischung hervorruft, wie sie bisher nicht erreichbar war. Die infolge der Platte bestehenden Pumpverluste sind gering und betragen immer weniger als 1 %, wenn sich die Kolbengeschwindigkeit unterhalb von 915 m/min, befindet.

Die Verwendung einer perforierten Platte 1 des in Fig. 1 dargestellten Motors stellt eine Weiterbildung (die zusätzliche Verwendung der Platte 1) der Konstruktion des Motors dar, wie er in Fig. 8A der ¹¹A Study of Two-Stroke Cycle Fuel Injection Engines for Exhaust Gas Purification" von Giichi Yamagishi, Tadanori Sato und Hiroyoshi Iwasa von der Fuji Heavy Industries Ltd. beschrieben ist. Falls ■ Brennstoff kurz nach Schliessen der Auslassöffnung eingespritzt wird, prallt der gesamte oder der grösste Anteil des Prennstoffes auf die Platte auf. Diese ist so heiss, dass der Brennstoff unmittelbar verdampft und sich bei ansteigendem Kolben mit den Gasen oberhalb der Platte 1 vermischt. Falls die Einspritzdüse den Brennstoffstrom auf einen Teil der Platte aufsprüht, welcher gemäss Fig. 1

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keine Perforationen aufweist, ist sichergestellt, dass der gesamte Brennstoff oberhalb der Platte reflektiert wird. Der gesamte Brennstoff befindet sich also während des Verdichtungstaktes vor Zündung innerhalb des Volumens oberhalb der Platte 1. Die durch die Platte erzeugten Mischgeschwindigkeiten bzw. -raten sind so schnell, dass das Luft-Brennstoff restgasgemisch oberhalb der Platte immer als homogen angesehen werden kann. Jedoch ist die Ladung in dem Sinne geschichtet, dass kein Brennstoff oder nahezu kein Brennstoff unterhalb der Platte besteht, bis sich der Kolben nach dem oberen Totpunkt nach unten bewegt oder bis die Zündung vollständig eingeleitet ist. Da die durch die Turbulenzströmung erzeugte Durchmischung sehr intensiv ist, werden Veränderungen des Luft-Brennstoffgemisches während der Taktwechsel innerhalb der Zündbrücke nahezu vermieden, wodurch auf diese Veränderungen entstehende Fehlzündungen vermieden werden. Falls die Zündkerze zündet, bevor die Obertotpunktmittellage erreicht ist, zündet sie ein Gemisch, welches reicher ist als dem durchschnittlichen Luft-Brennstoffverhältnis im Motor entspricht. Falls beispielsweise die Zündkerze zündet, wenn die Kompression des Motors 1/x ihres Wertes am oberen Totpunkt beträgt, dann ist das Gemisch oberhalb der Platte χ mal reicher bzw. fetter als dem durchschnittlichen Luft-Brennstoffgemisch über dem gesamten Zylinder entspricht. Der Motor kann mit einer früh zündenden Kerze sehr mager gefahren werden. Man geht davon aus, dass der Motor bei Frühzündung auf diese Weise mit einem Verhältnis von etwa 30:1, möglicherweise mit einem Verhältnis von 40:1 mager gefahren werden kann. Infolge dieses mageren Laufes kann der Motor ohne Fehlzündung im Leerlauf mit geringem "BMEP" bzw. geringem mittlerem Druck arbeiten. Ein Vorteil des mageren Laufes bei Ver-

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Wendung dieser Schichtungstechnik ist darin zu sehen, dass die Restgase beträchtliche Sauerstoff mengen enthalten, wodurch hohe Restfraktion nicht langer geringe Sauerstoffkonzentration bedeutet.

Nach dem Ende des Verdichtungstaktes wird nahezu das gesamte unterhalb der Platte befindliche Gas durch die Platte nach oben gedruckt. Während des Antriebstaktes sollte die Ladung nahezu vollständig homogen sein. Jedoch sollten die Gase in den Schultern oder Anlageflächen oberhalb des obersten Kolbenringes frei von Brennstoff sein. Auch die Zylinderwand-Grenzschicht sollte frei von Brennstoff sein. Die Abschreckung dieser Flächen, welche normalerweise zu einer grossen Menge unverbrannten Kohlenwasserstoffes führt, sollte unbedeutend sein. Die Platte se.lbst ist zu heiss, (oberhalb 540 C) um eine Abschreckung zuzulassen. Die Strömungscharakteristik des Systems ist so ausgelegt, dass die abgeschreckten bzw. gekühlten Kohlenwasserstoffe d&r Grenzschicht in der Nähe der Zylinderkopfkammer oberhalb der Platte nicht durch die Platte strömen und in die Auslassöffnungen gelangen. Die geometrische Anordnung des mit einer Platte bestückten und mittels Einspritzung versehenen Zweitaktmotors ist infolgedessen ideal, um HC- bzw. Kohlenwasserstoffemissionen zu vermeiden, da die Durchmischung vollständig ist und infolge von Abschreckung oder Kühlung entstehende Kohlenwasserstoffe nicht aus der Auslassöffnung gelangen. Die durch die Platte erzeugte Turbulenz vergrössert auch die Flammgeschwindigkeiten. Die beste Frühzündung für volle Kraftgemische ist kleiner als bei herkömmlichen Zweitaktmotoren. Bei geringen Mitteldrücken bzw. "BMEP"-Werten (Arbeitsdrücken), bei welchen magere Gemische erwünscht sind, streckt Frühzündung die Grenzlinie der Fehlzündungen des Motors. Die wirtschaftlichste Ver-

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wertung des Brennstoffes wird mit einer geringen Frühzündung der Kerze erreicht.

Da eine Beziehung zwischen der Frühzündung und magerer Fehlzündungsgrenze besteht, welche gegenüber anderen Zweitaktmotoren unterschiedlich ist, wird das beste Verhältnis der Drosselung, der Magerung und der Zündeinstellung bei verschiedenen Motorgeschwindigkeiten und Belastungen empirisch bei den mit einer Platte versehenen Motoren bestimmt.

Nachfolgend sind Erläuterungen hinsichtlich des durch die perforierte Platte erzeugten Gemisches aufgeführt. Das Maß der Brennstoff-Luft-Restgasmischung mit einer Platte, bei welcher die Strömungsgeschwindigkeit durch ihre Perforationen um einen Faktor χ über der Strömungsgeschwindigkeit liegt, welche eine Ebene ohne eine derartige Platte durchsetzt, führt immer zu einer x-fachen Vergrösserung der Mischgeschwindigkeit bzw. der Mischrate infolge der sehr feinen Turbulenz, wenn der hohe Geschwindigkeit aufweisende Strom die Perforationen durchsetzt und auf die verhältnismässig ruhig liegenden Gase oberhalb oder unterhalb der Platte auf trifft. Dies ist von grosser Bedeutung, da die Werte der Feinvermischung verbessert werden und die Möglichkeiten der Fehlzündung bzw. die Möglichkeiten der Verbrennungsveränderungen bei Taktwechsel infolge von Ladungsheterogenität reduzier bar sind. Über kleinen Volumen ist die statistische Verteilung des Luft-Brennstoffverhältnisses eine Nor mal verteilung, wobei die Standardabweichung proportional zum Reziprokwert der Kubikwurzel des Versuchsvolumens liegt. Für ein bestimmtes Probenvolumen ist die Standardabweichung

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s.d. proportional zu

s.d.oC —

rrt dt
e J

wobei r die Mischrate bzw. -geschwindigkeit und t die Zeit darstellt. Wenn der Wert j rt dt um einen Faktor von fünf erhöht wird, wobei eine 80 %ige Abdeckung des Plattenquerschnittes vorliegt, wird die Standardabweichung des Luft-Brennstoffgemisches um einen Faktor von e reduziert, eine Reduzierung von etwa 150. Diese grosse Reduzierung der Standardabweichungen bedeutet in der Praxis, dass die bisher bedeutenden kleinen Veränderungen im Luft-Brennstoffgemisch nunmehr als unbedeutend gelten. Mit einer geeigneten perforierten Platte kann das Mischverhältnis bzw. die Mischrate r auf etwa den zehnfachen Wert bei einem herkömmlichen Motor gesteigert werden. Die Bohrungen oder Perforationen der Platte erzeugen sowohl grosse als auch kleine Turbulenzwirbel, und die Makro- bzw. Grobmischung ist bei Verwendung der perforierten Platte gleichfalls sehr gut. Die Ladung oberhalb der Platte ist für nahezu alle praktischen Zwecke homogen, wenn die Position des Kolbens oberhalb von 60 BTDC bzw. 60 vor dem oberen Totpunkt liegt.

Da die Platte nicht gekühlt ist und der normalen Gastemperatur innerhalb des Motors ausgesetzt wird, unterliegen die auftreffenden Brennstofftropfen einer Verdampfung bzw. Nebelbildung. Infolge der durch die Platte erzeugten Turbulenz kann eine Heissflächenzündung nicht länger stattfinden. Das Bedürfnis der Motorkühlung zum Zwecke der Vorzündungssteuerung ist nicht mehr vorhanden. Da sich die Platte schneller erwärmt als der übrige Motor, ist die nach dem Kaltstart benötigte Zeit für den Übergang auf reiche Gemische reduziert.

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Die Platte 1 sollte aus einem flachen "Inconel"-Plattenkörper einer Dicke zwischen 2,0 mm und 2,5 mm bestehen und in Kombination mit einem einen flachen Oberteil aufweisenden Kolben verwendet werden, welcher seinen oberen Totpunkt bezüglich der Platte 1 unter einem Abstand von einigen Hundertstel Millimeter erreicht. Die Platte muss jedoch nicht flach ausgebildet sein, sondern kann auch gegenüber dem Flachbau abweichenden Kolbenformen angepasst sein. Eine "Inconel"-Platte mit einer Dicke von 2,0 mm ist sehr dauerhaft und unterliegt während des gesamten Laufs des Motors keiner Ermüdung oder Zerstörung. Weitere wärmewiderstandsfähige, feste Materialien können anstelle des "Inconel"-Werkstoffes verwendet v/erden. Es muss jedoch hinsichtlich der Wahl der Materialien Sorge getragen werden, da gewisse Metalle bei Einwirkung von Beioxyden zerstört werden oder abblättern. Darüber hinaus ist wenigstens eine Hochtemperatur-Legierung, genannt "Hastelloy C, bekannt, welche sogar in kaltem Zustand Vorzündung auslöst.

Die in der Platte befindlichen Perforationen oder Öffnungen brauchen keinen gleichförmigen Abstand einzunehmen. Es kann jede Kombination von Schlitzen, Schrägöffnungen und jedes Lochmuster verwendet werden, um bei ansteigendem Kolben oberhalb der Platte oder bei nach unten sich bewegendem Kolben unterhalb der Platte jedes beliebige Strömungsmuster auszulösen. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Platten sind in den Fig. 2a - 2d dargestellt. Ein Lochmuster von besonderer Bedeutung ist in Fig. 2a dargestellt. Der gestrichelt wiedergegebene Kreis ist die Fläche, auf welche die Düse sprüht. Da sich innerhalb dieser Fläche keine Perforationen oder Bohrungen befinden, wird der gesamte Brennstoff oberhalb der

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Platte reflektiert und gelangt bis zum Zünden der Zündkerze nicht in den Bereich unterhalb der Platte. Verschiedene andere Plattenformen, welche den Brennstoffstrom in dem Bereich unterhalb der Platte auf ein Minimum reduzieren, sind in gleicher Weise einsetzbar. Eine der einfachsten Formen sieht vor, den Brennstoff aus der Düse unter einem sehr schrägen Winkel auf die Platte aufzusprühen, wodurch der gesamte Brennstoff im Bereich oberhalb der Platte reflektiert wird, wenn die Einspritzung zeitlich so gesteuert ist, dass sie bei ansteigendem Kolben und nach Schliessen der Auslassöffnung beginnt.

Die durch die perforierte Platte erzeugte sehr intensive Turbulenz verstärkt die Wärmeverluste, indem das thermische Diffusionsvermögen der Gase erhöht wird. Die Verwendung der perforierten Platte erfordert eine verbesserte Kühlung, insbesondere des KoI- · bens. Da die erzeugte Turbulenz jedoch Oberflächenzündung sogar an der Platte verhindert, welche ohne Kühlung der durchschnittlichen Gastemperatur innerhalb des Motors ausgesetzt ist, kann man die nicht geschmierten Flächen der Verbrennungskammer (Zylinderkopfkammer und Kolbenoberseite) isolieren, um Wärmeverluste dieser Teile zu reduzieren oder nahezu auszuschalten. Die verstärkten Wärmeverluste der Platte werden bis zu gewissem Ausmaß durch die grössere Flammgeschwindigkeit bzw. -ausbreitung, durch den weniger fetten Teillastbetrieb und durch reduzierte Fehlzündung ausgeglichen.

Bei in Viertaktmotoren verwendeten perforierten Platten wird bei homogener Ladung das Oktanerfordernis des Brennstoffes reduziert, wie in einer gleichzeitig anhängigen Anmeldung vom 17. Dezember 1971 zum Ausdruck gebracht ist.

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Die Verwendung innerhalb des Zylinders befindlicher perforierter Platten bei Zweitaktmotoren ist nicht auf durch Zündkerzen gezündete Motoren beschränkt. Die Plattenkonstruktion ist auch für Dieselmotoren geeignet. Fig. 3 stellt einen für mehrere Brennstoffe geeigneten Dieselmotor leichter Bauart der "Lycoming Schweitzer and Husmann Lightweight Multifuel Diesel"-Konstruktion dar, welchem eine perforierte Platte (in Fig. 3a im Schnitt dargestellt) erfindungsgemäss zugeordnet wurde. Die Haupt-Verbrennungskammer wurde in den Zylinderkopf oberhalb der Platte verlagert, befindet sich demnach nicht mehr im schalenförmigen Kolben gemäss "Schweitzer"-Bauart. Die Zweitaktfunktion dieses Motors ist infolge dieser Umgestaltungen nicht beeinträchtigt.

Die Weiterbildungen des Motors der "Lycoming S & H"-Bauart sind infolgedessen in der Umgestaltung des "Schweitzer"-Kolbens in einen Kolben mit flacher Oberseite, in der zusätzlichen Verbrennungskammer 9 und in der perforierten Platte 10 zwischen der Kammer 9 und der Kammer unterhalb der Platte zu sehen. Die Kammer 9 besteht aus einer Aluminium-Porzellanschale mit Bohrungen für eine Glühkerze 11 und eine Einspritzdüse 12, welche mit Hilfe eines Schrumpf sitz es und einer Epoxyabbindung in den Zylinderkopf eingesetzt ist. Die Aluminiumschicht der Kammer 9 besitzt eine Dicke von etwa 2,5 mm und weist an den seitlichen Gasläufen nahezu die Durchschnittstemperatur der Motorgase auf. Die perforierte Platte 10 ist aus einem hochfesten Aluminium-Keramikmaterial gefertigt, welches zum Zwecke der Isolierung genug ausgestaltet ist. Die Platte 10 ist mit Hilfe eines Epoxy-Silicongummis oder mittels anderer geeigneter Mittel an der Kammer 13 des Zylinders befestigt. In Fig. 3a ist die Platte 10 im

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Schnitt dargestellt. Da die Platte im wesentlichen sehr heiss wird, falls der Mittel abschnitt der Platte keine Perforationen aufweist und als Ziel für einen Strom (statt eines herkömmlichen Sprühstromes) der Einspritzdüse 12 dient, eignet sich das System dazu, den gesamten Brennstoff in den Bereich oberhalb der Platte zurückzuleiten bzw. zu reflektieren. Es gelangt demnach kein Brennstoff in den Bereich unterhalb der Platte, bevor der Kolben im Verlauf jedes Kompressionstaktes den oberen Totpunkt erreicht hat. Die durch die Platte erzeugte fein verteilte Turbulenz und die Tatsache, dass die Heizplatte den Brennstoff in feinere Tröpfchen verdampft und vernebelt als dies mittels einer Einspritzdüse entsprechender Spritzweite oder Sprühung möglich ist, trägt dazu bei, Rauch und Koksniederschläge zu vermeiden und führt zu sehr guter Luftausnutzung. Die Ausbildung entspricht in gewissen Beziehungen einer Diesel-Vorkammer. Die perforierte Platte ermöglicht jedoch eine wesentlich intensivere fein verteilte Turbulenz als dies mit Vorkammern möglich ist (herkömmliche Vorkammern arbeiten mit sehr grossen Wirbeln und erzeugen keine Mischwerte im Mikrobereich). Die gewöhnlich den Vorkammerkonstruktionen eigenen Russprobleme werden infolgedessen vermieden. Falls die flache Oberseite des Schweitzer-Kolbens 14 mit Hilfe eines Keramikmaterials isoliert ist, dann können die Wärmeverluste und die Probleme der Kolbenabkühlung bei einer derartigen Konstruktion wesentlich reduziert werden. Der Schweitzer-Kolben 14, welcher durch die Sprüheinrichtung 15 mittels Öl gekühlt wird, kann angemessen abgekühlt werden, um die Ringtemperaturen entsprechend angemessen zu steuern.

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Eine kompakte Verbrennungskammer 9 kann sowohl beim Dieselmotor als auch bei mit Zündkerze arbeitenden Zweitaktmotoren Verwendet werden und ermöglicht es, Kolben grossen Durchmessers einzusetzen. Dabei werden verbesserte Durchmischung, kürzere Flammenbewegung und geringere Wärmeverluste erzielt. Falls die Kammer 9, die Kolbenoberseite und die Platte 10 aus isolierendem Material gefertigt sind, dann werden durch die Konstruktion die Wärmeverluste des Motors im wesentlichen reduziert. Bei einem mit Zündkerze versehenen Motor kann die verkürzte Flammenbewegung verwendet werden, um die Oktanerfordernisse des Brennstoffes herabzusetzen.

Die Verwendung eines im Zylinder befestigten Plattenkörpers für entweder mit Zündkerze versehene Zweitaktmotoren oder für mittels eingespritztem Dieselbrennstoff arbeitende Zweitaktmotoren besitzt grosse Vorteile. Da die Mischrate bzw. Mischgeschwindigkeit von Brennstoff-Luft und Restgasen wenigstens fünf Mal so hoch gehalten werden kann als dies bei anderen Konstruktionen möglich ist, können die der Vermischung zugeordneten Probleme unvollständiger Verbrennung vermieden oder wesentlich reduziert werden. Infolge der Konstruktion gemäss der Erfindung wird verhindert, dass Brennstoff in die Ringschulter oberhalb des obersten Kolbenringes und an die Zylinderwand-Grenzschicht gelangt, wo Abschreckung HO-Emissionen auslöst. Die Konstruktion gemäss der Erfindung eignet sich gleichfalls, um zu verhindern, dass abgekühlte Lagen von Gas in der Kammer des Zylinderkopfes aus der Auslassöffnung gelangen. Bei Dieselmotoren kann man durch Aufprall von Brennstoff auf die heisse Platte kleine Tröpfchen erzeugen, wodurch eine Düse guter Durchdringung oder Spritzweite eine fein verteilte Sprühung hervor-

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ruft. Bei Dieselmotoren verbessert die erhöhte Luftturbulenz die Luftverwendung wesentlich.

Bei mittels Zündkerze gezündeten Zweitaktmotoren erzeugt die Plattenkonstruktion bei Einspritzung eine ausreichend schnelle Durchmischung, wodurch der gesamte Brennstoff nach Schliessen der Auslassöffnung eingespritzt werden kann. Dadurch werden Brennstoffkurzschluss und infolgedessen Leistungsverluste vermieden. Die erfindungsgemässe Konstruktion lässt auch eine sehr wirksame Schichtbildung während des Kompressions- bzw. Verdichtungstaktes zu, führt jedoch während des Arbeitstaktes zu einer Homogenität, so dass der Vorteil der Schichtbildung ohne Abnahme maximaler Luftverwendung erreicht werden kann. Die erfindungsgemäss beschaffenen Zweitaktmotoren mit Einspritzung, welche bereits den NO-Erfordernissen der US-Behörden von 1976 entsprechen, sind in gleicher Weise geeignet, den HC- und CO-Emissionswerten bzw. Erfordernissen des Jahres 1975 zu entsprechen.

Die Kombination einer in einem Zylinder befestigten perforierten Platte mit einer Brennstoffeinspritzung zum Zwecke einer geschichteten Ladung ist in gleicher Weise für Viertaktmotoren anwendbar. Es wird auf Fig. 4 der Zeichnungen hingewiesen. Die in Fig. 4a dargestellte perforierte Platte 16 ist zwischen dem Zylinder 17 und dem Zylinderkopf 18, knapp oberhalb der oberen Totpunktposition des Kolbens 19 befindlich, befestigt. Der Zylinderkopf 18 ist mit einem Einlassventil 20 und mit einem Auslassventil 21 versehen und trägt eine Einspritzdüse 22 und eine Zündkerze Der Brennstoffstrom der Einspritzdüse 22 wird so gerichtet, dass

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er auf einen Teil der Platte 16 auftrifft, welcher keine Perforationen aufweist. Infolgedessen wird der gesamte Brennstoff in die Zylinderkopfkammer oberhalb der Platte 16 zurückgeleitet bzw. reflektiert. Die Brennstoffeinspritzung ist zeitlich abgestimmt und findet nach dem unteren Totpunkt während des Kompressionstaktes statt, so dass ein die Perforationen der Platte 16 durchdringender, nach oben gerichteter Gasstrom vorliegt. Bei diesem Aufbau gelangt der gesamte Brennstoff während des Kompressionstaktes vor Zündung in den Bereich oberhalb der Platte. Falls die Zündkerze vor Erreichen des oberen Totpunktes zündet, wird ein Gemisch gezündet, welches reicher bzw. gesättigter ist als dem Gesamtverhältnis von Luft zu Brennstoff im Zylinder entspricht. Wenn die Zündkerze wie im Falle des beschriebenen Zweitaktmotors zündet, wenn sich der Zylinder auf 1/x seiner Kompression am oberen Totpunkt befindet, dann ist das gezündete Gemisch χ mal reicher als dem durchschnittlichen Luft-Brennstoffverhältnis über dem gesamten Zylindervolumen entspricht. Diese Anordnung ermöglicht einen sehr mageren Betrieb infolge der Ladungsschichtung und der durch die Platte 16 erzeugten fein verteilten Turbulenz. Es ist dadurch sichergestellt, dass die Verbrennung vollständig abläuft. Der Motor besitzt in gleicher Weise den Vorteil, dass die Ladung während des Verdichtungstaktes bzw. -hubes geschichtet, jedoch während des Arbeitstaktes homogen ist. Die Schichtung führt infolgedessen nicht zu einer Beeinträchtigung des Lufteinsatzes bzw. der Luftverwendung für Vollastbetrieb.

Die Beziehung zwischen dem Kurbel winkel, dem Volumenluftstrom durch die Platte, dem Massenluftstrom durch die Platte und dem Koeffizienten der Schichtung (Verhältnis von Brennstoff zu Luft oberhalb der Platte : Gesamtverhältnis von Brennstoff zu Luft) gegenüber dem Kur bei winkel für den in Fig. 4 dargestellten Motor

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ist aus Fig. 5 ersichtlich. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Motor gemäss Fig. 4 ein Verdichtungsverhältnis von 8,5 : 1 besitzt und dass der gesamte Brennstoff vor dem oberen Totpunkt des Kompressionstaktes oberhalb der Platte verbleibt. Folgendes ist festzustellen: 1. Der grösste Anteil der Strömung durch die Platte, sowohl auf Massen- als auch auf Volumenbasis, geschieht innerhalb von etwa 20 vor dem oberen Totpunkt? und 2. Der Koeffizient der Schichtbildung verändert sich um ein Verhältnis von etwa drei zu eins zwischen Zündzeitpunkten praktischen Interesses.

Vergleichbare Strömungsverhältnisse existieren für Zweitaktmotoren nach Öffnungsverschluss. Ein Viertaktmotor mit Schichtung kann auch gebildet werden, wenn man das Merkmal der im Zylinder befestigten perforierten Platte mit dem Merkmal zeitlich abgestimmter Einspritzung über eine Öffnung kombiniert. Gemäss Fig. 6 ist die durchlöcherte bzw. perforierte Platte 24 zwischen dem Zylinder 25 und dem Zylinderkopf 26 knapp oberhalb der oberen Totpunktposition des Kolbens 27 befestigt. Der Kopf 26 ist mit einem Einlassventil 29 und mit einem Auslassventil 28 ausgestattet und trägt am Einlassventil eine Brennstoffeinspritzdüse 30. Eine Zündkerze 31 ist gleichfalls am Zylinderkopf befestigt. Die Brennstoffeinspritzung geschieht unter zeitlicher Abstimmung, wenn sich der Kolben dem unteren Totpunkt des Einlasstaktes nähert, wodurch zwischen der Zeit der Einspritzung und der Zeit der Zündung der Hauptteil des Brennstoffes oberhalb der perforierten Platte 24 verbleibt. Wenn dieser Motor mit Vorzündung gefahren wird, dann ist das Luft-Brennstoffgemisch innerhalb der Funkenstrecke bzw. Zündbrücke zum Zeitpunkt der Zündung beträchtlich reicher oder fetter als dem Gesamtverhältnis von Luft zu Brennstoff entspricht.

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2336P08 P361J$ 18. Juli 1973 PATENTANSPRÜCHE

1. J Verfahren zur Ladungsschichtung in einer Brennkraftmaschine mit einer ein konstantes Volumen aufweisenden Verbrennungskammer innerhalb des Zylinder kopf es, einem innerhalb des Zylinders hin- und herbewegbaren und ein veränderliches Volumen erzeugenden Kolben, und mit einer Vorrichtung, mittels welcher Luft in die Verbrennungskammer eingeleitet und Abgasprodukte aus der Verbrennungskammer ausgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine im wesentlichen flache und eine Vielzahl von Perforationen aufweisende Platte zur Erzeugung einer fein verteilten Turbulenz zwischen der oberen Totpunktposition des Kolbens und der Zylinderkopfkammer angeordnet wird, dass die perforierte Platte auf oder im Bereich der durchschnittlichen Temperatur der Motorgase gehalten wird, dass Brennstoff oberhalb der perforierten Platte in die Zylinderkopfkammer eingeleitet wird, nachdem der Hauptteil von Luft in den Motor eingelassen wurde, wodurch der Hauptteil des Brennstoffes zwischen Brennstoffeinlass und Zündung in Richtung des Endes des Kompressionstaktes immer oberhalb der Platte verbleibt, und dass die Ladung vor Erreichen des oberen Totpunktes gezündet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlzündungs-Gesamtmagergrenze von Luft zu Brennstoff durch Vorzündung gestreckt wird.

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3. Brennkraftmaschine mit einer ein konstantes Volumen aufweisenden Verbrennungskammer im Zylinder, einem innerhalb des Zylinders hin- und herbewegbaren und ein veränderliches Volumen erzeugenden Kolben, und· mit einer Einrichtung, welche Luft in die Verbrennungskammer einlässt und Abgasprodukte der Verbrennung aus der Verbrennungskammer ablässt, gekennzeichnet durch eine zwischen der oberen Totpunktposition des Kolbens und der Zylinderkopfkammer befestigte, eine Vielzahl von Perforationen aufweisende flache Platte (1, 10, 16, 24) und eine Einrichtung (8, 30), weiche Brennstoff bei geschlossenem Auslass in die Zylinderkopfkammer einspritzt.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Perforationen so gross ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit durch die Perforationen ober- ■ halb durchschnittlicher Kolbengeschwindigkeit liegt, und dass die Perforationen so gebildet sind, dass sie während des gesamten Kompressionstaktes eine fein verteilte Turbulenz innerhalb der Zylinderkopfkammer erzeugen.

5. Zweitaktmotor mit einem in einem Zylinder hin- und herbewegbaren Kolben, mit einer an einem Ende des Zylinders vorgesehenen Zylinderkopfkammer und mit Einlass- und Auslassöffnungen im Zylinder, dadurch gekennzeichnet, dass eine perforierte Platte den Zylinder in Querrichtung oberhalb der oberen Totpunktposition des Kolbens zwischen dem veränderlichen Volumen der Zylinder-Kolbenanordnung und dem konstanten Volumen der Zylinderkopfkammer durchsetzt, dass die Platte mehrere Perforationen aufweist, dass die Querschnittsfläche der Perforationen so gewählt ist, dass die

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Strömungsgeschwindigkeit durch die Perforationen oberhalb durchschnittlicher Kolbengeschwindigkeit liegt, und dass die Perforationen so ausgebildet sind, dass sie während des Kompressionstaktes eine fein verteilte Turbulenz innerhalb der Zylinderkopfkammer erzeugen, und dass eine Einrichtung Brennstoff in die Zylinderkopfkammer einspritzt.

6. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Perforationen der Platte erzeugte Turbulenz ausreichend intensiv ist, um die abschreckende Grenzschicht an den Wänden der Verbrennungskammer abzublasen, wodurch vollständige Verbrennung von Brennstoff und CO gewährleistet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff auf die perforierte Platte gespritzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff in Richtung des Endes des Einlasstaktes und nachdem der Hauptteil der Luft eingelassen wurde, pulsierend eingespritzt wird, so dass der Hauptteil des Brennstoffes zwischen dem Brennstoffeinlass und der Zündung in Richtung des Endes des Kompressionstaktes immer oberhalb der Platte verbleibt und dass das Luft-Brennstoffverhältnis oberhalb der Platte reicher ist als das Gesamt-Luft-Brennstoffverhältnis während des Kompressionstaktes.

9. Viertaktmotor mit einer ein konstantes Volumen aufweisenden Verbrennungskammer, genannt Zylinderkopfkammer, und einem im Zylinder hin,- und herbewegbaren und ein veränderliches Volumen erzeugenden Kolben, mit einer Luft in die Verbrennungskammer

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einleitenden Einlassvorrichtung und einer Auslassvorrichtung, die Luft aus der Verbrennungskammer ableitet, gekennzeichnet durch eine zwischen der oberen Totpunktposition des Kolbens und der Zylinderkopfkammer befestigten, mehrere Perforationen aufweisenden flachen Platte, und eine Einrichtung, welche Brennstoff während des letzten Teils des Einlasstaktes in die Einlassvorrichtung eingibt.

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