DE2844159A1

DE2844159A1 - Verfahren zum betreiben einer zweitakt-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2844159A1
Application number: DE2844159A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Noguchi; Taro Tanaka; Yukiyasu Tanaka
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1977-10-10
Filing date: 1978-10-10
Publication date: 1979-04-26
Also published as: GB2005766A; DE2844159C2; US4317432A; JPS5455210A; GB2005766B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Universal-Zweitakt-Brennkraftmaschine, die unter bestimmten Betriebsbedingungen arbeitet, sowie eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, die besonders zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Zweitakt-Diesel-Brennkraftmaschinen und funkengezündete Zweitakt-Brennkraftmaschinen sind seit langem als universell einsetzbare Kraftmaschinen für Betrieb unter konstanten bzw. vorgegebenen Bedingungen zur Erzeugung elektrischer Leistung, als Wasserpumpenantrieb, als Gebläseantrieb usw. in Gebrauch. Zweitakt-Brennkraftmaschinen werden im folgenden der Einfachheit halber auch als Zweitaktmotor bezeichnet. Die Dieselmotoren sind im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch am günstigsten; bei ihnen ist jedoch das Verdichtungsverhältnis höher, und wegen ihres großen Gewichtes ist es schwierig, Dieselmotoren

S09817/0697

Deutsche Bank (München) Kto 5KG1070

Dresdner Bank (München) Kto 3939844

Postscheck (München) KIo. 67O-43-8CM

- 9 - B 9232

an einen neuen Einsatzort zu bringen. Ferner sind die Verbrennungsgeräusche und Schwingungen so hoch, daß sich Dieselmotoren nicht für den Einsatz in städtischen Bereichen und insbesondere in Wohnbereichen eignen. Darüberhinaus benötigen Dieselmotoren eine Kraftstofflieferanlage mit einer Einspritzpumpe und Einspritzventilen, die unter hohem Druck arbeiten. Dieselmotoren sind daher unter Kostengesichtspunkten und im Hinblick auf die Wartung nachteilig.

Funkengezündete Motoren haben geringeres Gewicht und arbeiten mit einem verhältnismäßig niedrigen Verdichtungsverhältnis. Allerdings ist es schwierig, eine frische Ladung um die Zündkerze herum zu konzentrieren. Ferner ist die Verbrennung aufgrund von Fehlzündungen nicht stabil, und bisweilen erfolgt eine Kurzschlußströmung des frischen Luft-Kraftstoff-Gemisches aus dem Brennraum heraus. Dies hat zur Folge, daß gute Kraftstoffausnutzung nicht erreicht werden kann und daß große Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe abgegeben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Zweitakt-Brennkraftmaschine zu schaffen, das für zuverlässigere und bessere Zündung und damit für bessere Kraftstoffausnutzung sorgt. Ferner soll die Geräusch- und Schwingungserzeugung sowie die Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen möglichst gering sein.

Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zweitakt-Brennkraftmaschine zu schaffen die geringes Gewicht hat und besonders zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Zweitakt-Brennkraftmaschine gelöst, bei dem das in einen Zylinder während des Expansionshubes eingeleitete Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Verdichtungshubes ver-

909817/0897

dichtet wird, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, daß ein Teil des in den Zylinder eingeleiteten Luft-Kraftstoff-Gemisches mit Hilfe von Wärme chemisch aktiviert wird, um Radikale zu erzeugen, daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Wärme des Restgases und die durch die adiabatische Verdichtung während des Verdichtungshubes erzeugte Wärme zersetzt bzw. gespalten wird und daß das die Radikale enthaltende Luft-Kraftstoff-Gemisch auf ein Verdichtungsverhältnis zwischen ungefähr 4 und 10 während des Verdichtungshubes verdichtet wird, so daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch zündet und verbrennt.

Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, in dem ein Brennraum ausgebildet ist, einem in den Zylinder eingesetzten hin- und herbewegbaren Kolben und mehreren in der Wand des Zylinders ausgebildeten Spülschlitzen, die vom sich bewegenden Kolben zu- und aufgesteuert werden, wobei die Zweitakt-Brennkraftmaschine sich ferner auszeichnet durch eine Liefereinrichtung, die Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet und das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Spülschlitze in den Zylinder einleitet und die eine Steuereinrichtung aufweist, die die Strömung des verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches zum Zylinder synchron zur Bewegung des Kolbens begrenzt, und eine Einrichtung zum Ableiten der Abgase aus dem Zylinder, wobei das Luft-Kraftstoff-Gemisch als Schicht lediglich in einen Bereich nahe dem Kolben mit einem Liefergrad von ungefähr 0,15 bis 0,35 eingebracht wird und wobei die Schicht des eingeleiteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in Berührung mit einer Schicht aus Restgas steht und während des Verdichtungstaktes mit Hilfe von Radikalen gezündet und verbrannt wird, die im Bereich der Grenzfläche zwischen dem Restgas und dem Luft-Kraftstoff -Gemisch entstehen.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung wird die Zweitakt-Brennkraftmaschine bei einem niedrigen Verdichtungsverhältnis

909817/069 7

im Bereich zwischen 4 und 10 betrieben. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine hat im Vergleich zu Dieselmotoren geringes Gewicht. Wegen der Verdichtungszündung bzw. Verdichtungsverbrennung erfolgt die Zündung bei jedem Arbeitsspiel zuverlässig und ist die Geräusch- und Schwingungserzeugung minimal. Ferner kann sehr günstige Kraftstoffausnutzung erreicht werden und ist auch die Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen gering.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung wird mit einem fetten und einem mageren Gemisch gearbeitet, wobei selbst dann, wenn das Gesamt-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gesamtgemisches aus dem fetten und dem mageren Gemisch hoch ist, zuverlässige Zündung sichergestellt ist, so daß sehr gute Kraftstoffausnutzung erreicht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer

Brennkraftmaschine, die besonders zur Durchführung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;

Figur 2 eine vergrößerte, horizontale Schnittdarstellung gemäß II-II in Figur 1;

Figur 3. einen vergrößert dargestellten Ausschnitt,

der einen Spülschlitz zeigt;

Figur 4 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der

Menge erzeugter Radikale und dem Kurbelwinkel wiedergibt;

909817/0697

B 9232

Figur 5

Figur 6

ein Diagramm, in dem auf der Abszisse die Verbrennungstemperatur und auf der Ordinate der Druck im Zylinder wiedergegeben sind und das eine Zone A, in der Dieselmotoren betreibbar sind, sowie eine Zone B zeigt, in der Zweitakt-Brennkraftmaschinen gemäß der Erfindung betreibbar sind;

eine schematische Schnittdarstellung einer Zweitakt-Brennkraftmaschine, die besonders geeignet zur Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist;

Figur 7

Figuren 8, 9
und 10

Figur 11

Figur 12

Figur 13

eine vergrößerte Schnittdarstellung gemäß VII-VII in Figur 6;

verschiedene Ablenkeinrichtungen, die in einem Spülkanal angeordnet werden können;

ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Liefergrad und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer Zweitakt-Brennkraftmaschine zeigt, wenn diese erfindungsgemäß betrieben wird;

ein Indikatordiagramm einer herkömmlichen Zweitakt-Brennkraftmaschine; und

ein Indikatordiagramm einer erfindungsgemäßen Zweitakt-Brennkraftmaschine.

909Ö17/0697

- 13 - B9232

In den Zeichnungen sind gleiche Elemente und Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Erste Ausführungsform (Figuren 1 bis 3)

Zunächst wird auf die Figuren 1 bis 3 eingegangen, in denen eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Zweitakt-Brennkraftmaschine dargestellt ist, die im folgenden der Einfachheit halber als Zweitaktmotor bezeichnet wird. Beim dargestellten Zweitaktmotor handelt es sich um einen Zweitaktmotor in Schnürle-Bauart mit einem einzigen Zylinder und Kurbelkastenspülung. Das Verdichtungsverhältnis liegt, zwischen 4 und TO. Der Zweitaktmotor 10 weist einen 'Zylinderblock 11 auf, in dem ein Zylinder 12 ausgebildet ist, in den ein Kolben 13 eingesetzt ist, der sich hin- und herbewegen kann. Mit dem Zylinderblock 11 sind ein Zylinderkopf 14 und ein Kurbelgehäuse 15 verbunden.

Der Zylinderblock 11, der Kolben 13 und der Zylinderkopf 14 umschließen einen Brennraum 16. In den Zylinderkopf 14 ist eine Zündkerze 17 geschraubt, die es ermöglicht, das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum 16 mittels eines Funkens zu zünden, der von einem aus Mittel- und Masseelektroden bestehenden Elektrodenpaar 18 der Zündkerze 17 erzeugt wird.

Innerhalb einer im Kurbelgehäuse 15 ausgebildeten Kurbelkammer 19 befindet sich eine Kurbelwelle, die über eine Pleuelstange 20 mit dem Kolben 13 verbunden ist. Über eine Saugleitung 21 stehen ein Luftfilter 22B sowie ein Vergaser 22A mit dem Kurbelgehäuse 15 in Verbindung. Das vom Vergaser 22A aufbereitete Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch die Saugleitung 21 sowie ein Zungenventil 23 in die Kurbelkammer 19 eingeleitet, während sich der Kolben 13 nach oben bewegt.

Wie in Figur 2 mit ausgezogenen Linien dargestellt ist, weist der Zylinder 12 zwei Spülschlitze 24 auf, die im wesentlichen

S09817/0697

- 14 - B 9232

symmetrisch zur Achse des Zylinders 12 einander gegenüber angeordnet sind. Einer dieser Spülschlitze kann jedoch auch an der in Figur 2 strichpunktiert dargestellten Stelle ausgebildet sein. Ferner weist der Zylinder 12 einen Auslaßschlitz 25 auf. Die beiden Spülschlitze 24 stehen über eine Leitung 27, einen Resonator 30, eine Leitung 28 sowie Spülkanäle in Verbindung mit einer Austrittsöffnung 26 am Kurbelgehäuse 15. Während sich der Kolben 13 nach unten bewegt, wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Kurbelkammer 19 in den Zylinder 12 gedrückt.

Jeder Spülschlitz 24 verläuft horizontal und tangential bezüglich des Zylinders 12_r so daß dem einströmenden Luft-Kraftstoff-Gemisch schwache Wirbelbewegung aufgeprägt wird.

Der Resonator 30 steuert die Versorgung der Spülschlitze mit Luft-Kraftstoff-Gemisch. Der Resonator 30 umfaßt ein oberes Gehäuse 34, ein mittleres Gehäuse 31 sowie ein unteres Gehäuse 35. Eine erste oder obere Membran 32 ist zwischen dem oberen Gehäuse 34 und dem mittleren Gehäuse 31 angeordnet, während eine zweite oder untere Membran 33 zwischen dem mittleren Gehäuse 31 und dem unteren Gehäuse 35 angeordnet ist, so daß innerhalb des Resonators 30 drei Kammern A, B und C abgeteilt sind. Zwischen das obere Gehäuse 34 und die erste oder obere Membran 32 ist eine Schrauben-Druckfeder 37 eingesetzt. Eine weitere Schrauben-Druckfeder 36 ist zwischen die obere Membran 32 und die untere Membran 33 eingesetzt, und eine Schrauben-Druckfeder 38 ist zwischen die untere Membran 33 und das untere Gehäuse 35 eingesetzt. An den Membranen 32 und 33 befestigte Federsitze 39, 40, 41 und 42 dienen nicht nur dazu, die Schrauben-Druckfedern 36, 37 und 38 zu sichern und deren Kräfte zu den Membranen 32 und 33 zu übertragen, sondern bilden auch Resonanzmassen.

Die mittlere Kammer A steht über einen Anschluß 43 mit der

909817/0697

- 15 - B 9232

Leitung 27 und über einen Anschluß 44 mit der Leitung 28 in Verbindung. Die obere Kammer B und die untere Kammer C stehen jeweils über einen Anschluß 45 bzw. 46 mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung.

Im folgenden wird die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform erläutert. Die Spülschlitze 24 und der Auslaßschlitz 25 werden auf- und zugesteuert, während sich der Kolben 13 im Zylinder 12 auf- und abbewegt. Dies heißt mit anderen Worten, daß dann, wenn sich der Kolben 13 während des Expansions- und Auspuffhubes nach unten bewegt, zunächst der Auslaßschlitz 25 aufgesteuert wird und dann die Spülschlitze 24 aufgesteuert werden, so daß Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Kurbelkammer 19 durch die Leitung 27, den Resonator 30, die Leitung 28, die Spülkanäle 29 und die Spülschlitze 24 in den Zylinder 12 geladen wird. Diese Frischladung bildet ruhige Spülströme im Zylinder 12.

Da die Spülschlitze 24 horizontal und tangential bezüglich des Zylinders 12 angeordnet sind und da ferner die Menge des in den Zylinder 12 geladenen Luft-Kraftstoff-Gemisches begrenzt und klein ist, weist der Spülstrom keine aufwärts gerichtete Geschwindigkeitskomponente auf, so daß er auf und vor der Stirnseite des Kolbens 13 eine Wirbelströmung bildet, und zwar auch dann, wenn einer der Spülschlitze die in Figur 2 strichpunktiert dargestellte Ausbildung hat. Dies führt im Ergebnis dazu, daß das frische Luft-Kraftstoff-Gemisch in den unteren Abschnitt des Zylinders 12 unmittelbar oberhalb des Kolbens 13 eintritt, so daß die Restgase dazu gezwungen werden, im Zylinder 12 nach oben zu strömen. Auf diese Weise wird eine Schichtladung erreicht.

Wenn die Einleitung des frischen Luft-Kraftstoff-Gemisches noch fortgesetzt wird, nachdem der Kolben 13 von seinem unteren Totpunkt aus seine Aufwärtsbewegung beginnt, besteht

909817/0697

die Gefahr, daß die Schichtung des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Zylinder 12 gestört wird. Daher ist der Resonator 30 vorgesehen und so ausgebildet, daß er die Einspeisung des frischen Luft-Kraftstoff-Gemisches unterbricht, wenn der Kolben 13 seine Aufwärtsbewegung begonnen hat, wie im folgenden ausführlicher beschrieben wird.

Während sich der Kolben während seines Expansionshubes nach unten bewegt, strömt das Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Kurbelkammer 19 in die mittlere Kammer A des Resonators 30, so daß sich das Volumen der Kammer A vergrößert, während gleichzeitig die Volumina der oberen Kammer B und der unteren Kammer C abnehmen. Die Druckfeder 36 in der mittleren Kammer A dehnt sich aus, während die Druckfedern 37 und 38 in der oberen Kammer B und der unteren Kammer C zusammengedrückt werden.

Wenn sich der Kolben 13 weiter nach unten bewegt, so daß er die Spülschlitze 24 aufsteuert, strömt das Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Leitung 28 und der mittleren Kammer A des Resonators 30 in den Zylinder 12, so daß der Druck in der mittleren Kammer A plötzlich absinkt. Dies hat zur Folge, daß die Volumina der oberen Kammer B und der unteren Kammer C zunehmen, während sich gleichzeitig die Druckfedern 37 und 38 in der oberen Kammer B und der unteren Kammer C ausdehnen und dabei die Feder 36 in der mittleren Kammer A und somit die Kammer A zusammendrücken. Dadurch wird das Einleiten des frischen Luft-Kraftstoff-Gemisches in den Zylinder 12 stark unterstützt.

Nachdem die Druckfedern 37 und 38 in der oberen Kammer B und der unteren Kammer C sich ausgedehnt haben und die Membranen 32 und 33 in ihre Gleichgewichtslagen zurückgekehrt sind, dehnt sich die Schraubenfeder 36 in der mittleren Kammer A aus, so daß deren Volumen wieder zunimmt. Dies hat zur Folge, daß der Druck in der mittleren Kammer A und den Spülkanälen

909817/0697

29 plötzlich sinkt, wodurch das Einleiten des frischen Luft-Kraftstoff -Gemisches unterbrochen wird.

Wenn der Zeitpunkt der Unterbrechung der Einleitung des frischen Luft-Kraftstoff-Gemisches so gesteuert wird, daß dieser Zeitpunkt mit dem Zeitpunkt zusammenfällt, zu dem der Kolben 13 seinen unteren Totpunkt erreicht, kann dadurch zuverlässig verhindert werden, daß frisches Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Verdichtungshubes, d.h. während sich der Kolben 13 nach oben bewegt, eingeleitet wird. Auf diese Weise wird das frische Luft-Kraftstoff-Gemisch zeitlich genau gesteuert eingeleitet. Die Druckänderung bei einer bestimmten Frequenz in der mittleren Kammer A des Resonators 30 kann durch geeignete Wahl des Spüldruckes, der Kräfte der Schraubenfedern 36, 37 und 38 sowie der Massen der Federsitze 39, 40, 41 und 42 so festgelegt werden, daß sich die vorstehend beschriebene gewünschte zeitliche Steuerung der Einleitung des Luft-Kraftstoff-Gemisches ergibt. Dadurch wird für gute Schichtung gesorgt, ohne daß die Restgase im Zylinder 12 und dem Brennraum 16 gestört werden.

An der Grenzfläche zwischen der Schicht aus Frischladung und den Restgasen erfolgt aufgrund der Wärme der Restgase und der durch die adiabatische Verdichtung während des Verdichtungshubes erzeugten Wärme eine Spaltung bzw. Zersetzung eines Teiles des Benzines im Gemisch, so daß chemisch stark aktive Radikale wie Kohlenwasserstoffe, C₂^ 0OH, CHO, H usw. erzeugt werden.

Diese Radikale sind sehr gut brennbar, so daß die Ladung mit diesen Radikalen auch ohne Benutzung der Zündkerze 17 während der Verdichtung leicht gezündet und verbrannt werden kann. Dies heißt mit anderen Worten, daß die Radikale die Funktion der Zündvorrichtung ausüben, d.h. als Zündauslöser dienen.

909817/0697

- 18 - B 9232

Die Radikale wurden optisch gemessen, und ihre Konzentration ist als Lichtstärke in Figur 4 dargestellt. Es ist erkennbar, daß die Kohlenwasserstoffe und C-, die am besten brennbar sind, ungefähr von 30° KW vor dem oberen Totpunkt an erzeugt werden. Die Erzeugung von OOH-Radikalen wird ungefähr von 20° KW vor dem oberen Totpunkt beobachtet. Wie bereits angegeben wurde, sind diese Radikale sehr gut brennbar, so daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch leicht gezündet und verbrannt werden kann, selbst wenn das Verdichtungsverhältnis einen niedrigen Wert hat, nämlich einen Wert zwischen 4 und 10, wie dies in Figur 5 gezeigt ist. In Figur 5 ist der maximale Druck P auf der Ordinate in Abhängigkeit von der Verbrennungstemperatur T auf der Abszisse dargestellt. Diesel-Brennkraftmaschinen können nur im Bereich A mit hohen Temperaturen und hohen Drücken arbeiten, wogegen erfindungsgemäße Zweitaktmotoren im Bereich B mit niedrigen Temperaturen und niedrigen Drücken betrieben werden. Da die die Zündung und Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches unterstützenden Radikale erzeugt werden, ist bei jedem Arbeitsspiel für zuverlässige Zündung und Verbrennung gesorgt, so daß die unregelmäßigen und störenden Geräusche und Schwingungen minimal gehalten werden können. Wegen der Verbesserung der Zündbarkeit ist ferner die Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen wesentlich verringert im Vergleich zu herkömmlichen funkengezündeten Brennkraftmaschinen. Ferner kann schließlich magereres Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrannt werden, so daß der Kraftstoffverbrauch wesentlich verringert ist.

Die Zündkerze 17 wird nur während des Anlassens der Brennkraftmaschine benutzt, so daß auch der elektrische Energiebedarf im Vergleich zu herkömmlichen funkengezündeten Brennkraftmaschinen verringert ist.

Bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform sind die Frischladung und die Restgase geschichtet; günstiger ist

909817/0697

- 19 - B 9232

es jedoch, die Restgase, fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch und mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch zu schichten, um dadurch die Erzeugung der Radikale noch mehr zu erleichtern, wie im folgenden ausführlich beschrieben wird.

Zweite Ausführungsform (Figuren 6 und 7)

Im folgenden wird auf die Figuren 6 und 7 eingegangen, die eine zweite Ausführungsform zeigen, bei der die Kurbelkammer aus einer ersten Kurbelkammer 19A und einer zweiten Kurbelkammer 19B besteht, die von einer sehr elastischen Membran 51 getrennt sind. Wie bei der ersten Ausführungsform strömt von einem nicht dargestellten Vergaser durch eine Saugleitung und ein nicht dargestelltes Zungenventil ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch in die erste Kurbelkammer 19A, während sich der Kolben 13 nach oben bewegt. Mit dem Ausdruck "fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch" wird hier ein solches Gemisch bezeichnet, dessen Luft-Kraftstoff-Verhältnis niedriger als das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des theoretischen Gemisches ist. Auf entsprechende Weise wird ein mageres Gemisch, dessen Luft-Kraftstoff-Verhältnis höher als das des theoretischen Gemisches ist, in die zweite Kurbelkammer 19B eingesaugt, während sich der Kolben 13 nach oben bewegt.

Der Zylinder 12 ist mit zwei Spülschlitzen 24A für fettes Gemisch und zwei Spülschlitzen 24B für mageres Gemisch versehen. Die zwei Spülschlitze 24A und auch die zwei Spülschlitze 24B sind jeweils symmetrisch bezüglich der Achse des Zylinders 12 einander gegenüber angeordnet. Ferner weist der Zylinder 12 einen Auslaßschlitz 25 auf, der während des Expansionshubes zuerst aufgesteuert wird. Danach werden dann die ersten Spülschlitze 24A, d.h. die Spülschlitze für fettes Gemisch, und schließlich die zweiten Spülschlitze 24B, d.h. die Spülschlitze für mageres Gemisch aufgesteuert. Die ersten Spülschlitze 24A stehen über eine Leitung 27Ά, einen Resonator 3OA, eine Leitung 28A und Spülkanäle 29A in Verbindung mit

909817/0697

einer Austrittsöffnung 26A der ersten Kurbelkanuner 1 9A für fettes Gemisch. Auf entsprechende Weise stehen die zweiten Spülschlitze 24B, d.h. die Spülschlitze für mageres Gemisch, über eine Leitung 27B, einen Resonator 3OB, eine Leitung 28B und Spülkanäle 29B in Verbindung mit einer Austrittsöffnung 26B der zweiten Kurbelkanuner 19B. Während sich der Kolben 13 nach unten bewegt, d.h. seinen Expansionshub ausführt, treten daher sowohl das fette als auch das magere Gemisch durch die ersten Spülschlitze 24A bzw. die zweiten Spülschlitze 24B in den Zylinder 12 ein.

Die ersten Spülschlitze 24A und die zweiten Spülschlitze 24B sind wie bei der ersten Ausführungsform horizontal und tangential zum Zylinder 12 ausgebildet, so daß den eintretenden Gemischen eine ruhige Wirbelbewegung aufgeprägt wird. Der Resonator 3OA und der Resonator 3OB haben im wesentlichen gleichen Aufbau und gleiche Wirkungsweise wie der vorstehend beschriebene Resonator 30, so daß die Resonatoren 3OA und 3OB nicht erneut beschrieben werden.

Die ersten Spülschlitze 24A und die zweiten Spülschlitze 24B sowie der Auslaßschlitz 25 werden vom Kolben 13 bei seiner Hin- und Herbewegung aufgesteuert und zugesteuert. Während sich der Kolben 13 nach unten bewegt, wird zunächst der Auslaßschlitz 25 aufgesteuert, wonach dann die ersten Spülschlitze 24A und die zweiten Spülschlitze 24B in der genannten Reihenfolge aufgesteuert werden. Das fette Gemisch wird langsam durch die ersten Spülschlitze 24A in den Zylinder 12 eingeleitet und bildet schwache Wirbel unmittelbar oberhalb der Stirnseite des Kolbens 13, da das fette Gemisch keine aufwärtsgerichtete Geschwindigkeitskomponente hat. Die Restgase werden in den oberen Bereich des Zylinders 12 gedrückt. Auf diese Weise werden Schichten aus Restgas und fettem Gemisch im oberen Abschnitt innerhalb des Zylinders 12 ausgebildet.

909817/0697

Wenn sich der Kolben 13 weiter nach unten bewegt, so daß die zweiten Spülschlitze 24B aufgesteuert werden, strömt das magere Gemisch entlang der Stirnfläche des Kolbens 13, so daß im unteren Abschnitt des Zylinders Schichten aus fettem und magerem Gemisch ausgebildet werden. Wenn sich der Kolben 13 wieder nach oben bewegt, wird die Einspeisung von fettem und magerem Gemisch von den Resonatoren 3OA und 3OB abgebrochen, und zwar auf ähnliche Weise, wie dies bei der ersten Ausführungsform der Resonator 30 bewirkt. Dies heißt mit anderen Worten, daß die Einspeisung des fetten und des mageren Gemisches zeitlich genau so gesteuert wird, daß die Gase im Zylinder 12 getrennt voneinander geschichtet sind.

Während des Verdichtungshubes erfolgt wie bei der ersten Ausführungsform die Spaltung bzw. Zersetzung eines Teiles des Benzines des fetten Gemisches an der Grenzfläche zwischen dem Restgas und dem fetten Gemisch aufgrund der im Restgas enthaltenen Wärme und der durch die adiabatische Verdichtung freigesetzten Wärme, so daß chemisch hochaktive Radikale wie Kohlenwasserstoffe, C~, OOH, CHO, H usw. erzeugt werden. Da das fette Gemisch sehr stark erwärmt wird, werden diese Radikale in großer Menge erzeugt, so daß selbst dann, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gesamtgemisches aus fettem und magerem Gemisch wesentlich höher als das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des bei der ersten Ausführungsform verwendeten Gemisches ist, zuverlässige Zündung und Verbrennung sichergestellt sind, so daß sehr gute Kraftstoffausnutzung erreicht wird.

Ablenkeinrichtunqen (Figuren 8 bis 10)

Bei der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch jeweils so in den Zylinder 12 eingeleitet, daß ihm eine Wirbelströmung aufgeprägt wird. Eine noch bessere Schichtladung kann erreicht werden durch Anwendung einer Kombination aus einer Zwischen-

909 817/069 7

- 22 - B 9232

wand 56 mit einer darin ausgebildeten öffnung 55 sowie einer Ablenkeinrichtung 57A bzw. 57B bzw. 57C, wie sie in den Figuren 8 bis 10 gezeigt ist. Die Zwischenwand 56 und die Ablenkeinrichtung 57A, 57B bzw. 57C, die die Strömungsrichtung des Luft-Kraftstoff-Gemisches umkehrt, sind in den Spülkanälen 29 bzw. 29A bzw. 29B angeordnet, und die Ablenkeinrichtung befindet sich stromab der öffnung 55. Die Zwischenwand 56 mit der öffnung 55 und die Ablenkeinrichtung 57A bzw. 57B bzw. 57C bewirken eine stärker beruhigte Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu den Spülschlitzen 24 bzw. 24A bzw. 24B, so daß noch besser verhindert wird, daß sich die Frischladung mit den Restgasen mischt.

Die in Figur 8 dargestellte Ablenkeinrichtung 57A besteht aus einer Platte, die so gebogen ist, daß sie einen L-förmigen Querschnitt hat. Die Ablenkeinrichtung 57B gemäß Figur 9 ist so ausgebildet, daß sie einen Hohlraum in Form eines umgekehrten L umschließt. Die Ablenkeinrichtung 57C gemäß Figur 10 besteht aus einem Rohrkrümmer in Form eines umgekehrten L.

In Figur 11 ist die Beziehung zwischen dem Liefergrad und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die Zweitaktmotoren gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform wiedergegeben. Es ist erkennbar, daß Verdichtungszündung bei einem Liefergrad zwischen 0,15 und 0,35 möglich ist. Hier wird unter dem Begriff "Liefergrad" das Verhältnis des Volumens des im Zylinder befindlichen Luft-Kraftstoff-Gemisches zum Volumen des Brennraumes bei Kolbenlage am unteren Totpunkt bezeichnet. Wenn der Liefergrad größer als 0,35 ist, ist die Temperatur im Brennraum zu niedrig, um Verdxchtungszündung zu bewirken. Wenn andererseits der Liefergrad kleiner als 0,15 ist, ist die Kraftstoffmenge zu gering, so daß keine Verdichtungszündung möglich ist oder die Leistung der Brennkraftmaschine zu niedrig ist.

909817/0697

Figur 12 zeigt ein Idikatordiagramm eines herkömmlichen Zweitaktmotors in Schnürle-Bauart (223 cm³). Es ist erkennbar, daß der Druck im Brennraum in einem weiten Bereich variiert. Die niedrigen Druckamplituden deuten auf Fehlzündung und unzureichende Verbrennung. Figur 13 zeigt ein Indikatordiagramm eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors mit Verdichtungszündung (223 cm³). Es ist deutlich erkennbar, daß die Druckamplituden praktisch alle den gleichen Wert haben, d.h. daß die Abweichung vom Mittelwert gering ist, was auf stabile Verbrennung schließen läßt.

Vorstehend wird die Erfindung ausführlich lediglich in Verbindung mit Zweitaktmotoren in Schnürle-Bauart beschrieben. Es versteht sich, daß die Erfindung in gleicher Weise anwendbar ist bei Junkers-Motoren, Fann-Motoren, Gleichstrom-Zweitaktmotoren usw. und daß außer Benzin auch Kerosin, Alkohole, LPG (flüssiges Erdgas) und LNG (verflüssigtes Naturgas) verwendet werden können.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Zweitakt-Brennkraftmaschine bildet das während des Expansionshubes in den Zylinder eingeleitete Luft-Kraftstoff-Gemisch nahe bzw. am Kolben eine Schicht, die mit einer Restgasschicht in Berührung steht, die sich am vom Kolben abgewandten Ende des Brennraumes befindet. Alternativ wird während des Expansionshubes zunächst fettes Gemisch unmittelbar oberhalb des Kolbens in den Zylinder eingeleitet, wonach dann mageres Gemisch unmittelbar oberhalb des Kolbens in den Zylinder eingeleitet wird, so daß eine Schicht aus magerem Gemisch, eine Schicht aus fettem Gemisch und eine Schicht aus Restgas in der genannten Reihenfolge den Raum innerhalb des Zylinders ausfüllen, wobei sich das magere Gemisch am Kolben befindet. Durch die im Restgas enthaltene Wärme wird die Spaltung bzw. Zersetzung eines Teiles des Luft-Kraftstoff-Gemisches bzw. des fetten Luft-Kraftstoff-Gemisches bewirkt, so daß chemisch

909817/0697

- 24 - B 9232

aktivierte Radikale entstehen. Während des Verdichtungshubes wird das die Radikale enthaltende Luft-Kraftstoff-Gemisch bzw. fette Luft-Kraftstoff-Gemisch auf ein Verdichtungsverhältnis im Bereich von 4 bis 10 verdichtet und mit Hilfe der Radikale gezündet, so daß es verbrennt. Die Brennkraftmaschine kann mit einem niedrigen Verdichtungsverhältnis arbeiten und daher im Vergleich zu herkömmlichen Diesel-Brennkraftmaschinen geringes Gewicht haben. Die Brennkraftmaschine arbeitet mit Verdichtungszündung. Die Zündung erfolgt zuverlässig, und unregelmäßige und störende Geräusche und Schwingungen treten kaum auf. Darüberhinaus wird eine sehr .gute Kraftstoff ausnutzung erreicht und kann die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe minimal gehalten werden. Die gleichen Vorteile haben die erfindungsgemäßen Zweitakt-Brennkraftmaschinen.

909817/0697

e e r s e

Claims

T D I^ Patentanwälte:
IEDTKE - DÜHLING - I\INNE Di_ri.-lng. H.Tiedtke
Gr\ Dipl.-Chem. G. Bühling
RUPE - ΚELUMANN Dipl.-Ing. R. Kinne
Dipl.-Ing. R Grupe Dipl.-Ing. B. Pellmann
Bavariaring 4, Postfach 202403 2 B 4 4 1 5 9 8000 München 2
Tel.:0 89-53 9653
Telex: 5-24 845 tipat
cable: Germaniapatent München
10. Oktober 1978 B 9232/case A3130-03 SOKEN

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Zweitakt-Brennkraftmaschine, bei dem das in einen Zylinder während des Expansionshubes eingeleitete Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Verdichtungshubes verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des in den Zylinder eingeleiteten Luft-Kraftstoff-Gemisches mit Hilfe von Wärme chemisch aktiviert wird, so daß Radikale entstehen, und daß das die Radikale enthaltende Luft-Kraftstoff-Gemisch auf ein Verdichtungsverhältnis zwischen ungefähr 4 und 10 während des Verdichtungshubes verdichtet wird, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zündet und verbrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Expansionshubes in den Zylinder mit einem Liefergrad zwischen ungefähr 0,15 und 0,35 eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Radikale zumindest einen Stoff aus der Gruppe C₂/ CH, CHO, 0OH und H enthalten.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch

909817/0697

Deutsche Bank (München) Kto. 51/61070 Dresdner Bank (München) Kto. 3939844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

unmittelbar oberhalb eines Kolbens so eingeleitet wird, daß im Zylinder eine Schicht aus Restgas in einem vom Kolben
entfernten Bereich gebildet wird und daß die Schicht aus
Luft-Kraftstoff-Gemisch neben bzw. am Kolben im Zylinder
vorliegt, daß die Schicht aus Luft-Kraftstoff-Gemisch in
Berührung mit der Schicht aus Restgas steht und daß ein
Teil des Luft-Kraftstoff-Gemisches von der Wärme im Restgas chemisch aktiviert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Kraftstoff-.Gemisch
während des Expansionshubes in den Zylinder im wesentlichen parallel zur oberen Stirnfläche des Kolbens eingeleitet
wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch
während des Expansionshubes in den Zylinder so eingeleitet wird, daß ein zur oberen Stirnfläche des Kolbens paralleler Wirbel entsteht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in den Zylinder unterbrochen wird, wenn der Verdichtungshub beginnt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch
während des Expansionshubes in den Zylinder eingeleitet
wird, nachdem es von einer Ablenkeinrichtung verzögert worden ist.

9. Verfahren zum Betreiben einer Zweitakt-Brennkraftmaschine, bei dem das Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Expansionshubes in einen Zylinder eingeleitet wird und während des

909817/0697

Verdichtungshubes verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Expansionshubes fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch unmittelbar oberhalb eines Kolbens in den Zylinder eingeleitet wird, daß danach unmittelbar oberhalb des Kolbens mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder eingeleitet wird und dadurch im Zylinder Schichten aus Restgas, dem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch und dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch in genannter Reihenfolge ausgebildet werden, wobei sich die Schicht aus magerem Luft-Kraftstoff-Gemisch am Kolben befindet und die Schichten in Berührung miteinander stehen, daß ein Teil des fetten Luft-Kraftstoff-Gemisches mittels der im Restgas enthaltenen Wärme chemisch aktiviert wird, so daß Radikale entstehen, und daß das die Radikale enthaltende fette Luft-Kraftstoff-Gemisch und das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch auf ein Verdichtungsverhältnis zwischen ungefähr 4 und 10 während des Verdichtungshubes verdichtet werden, so daß das fette und das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch zünden und verbrennen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das fette und das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch während des Expansionshubes in den Zylinder mit einem Liefergrad zwischen ungefähr 0,15 und 0,35 eingeleitet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Radikale zumindest einen Stoff aus der Gruppe C-, CH, CHO, 0OH und H enthalten.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß das fette Gemisch und das magere Gemisch während des Expansionshubes in den Zylinder im wesentlichen parallel zur oberen Stirnfläche des Kolbens eingeleitet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch

909817/0697

- 4 - B 9232

gekennzeichnet , daß das fette Gemisch und das magere Gemisch während des Expansionshubes in den Zylinder so eingeleitet werden, daß ein Wirbel über dem Kolben entsteht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung des fetten Gemisches und des mageren Gemisches in den Zylinder unterbrochen wird, wenn der Verdichtungshub beginnt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß das fette Gemisch und das magere Gemisch während des Expansionshubes eingeleitet werden, nachdem die Gemische von einer Ablenkeinrichtung verzögert worden sind.
16. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, in dem ein Brennraum ausgebildet ist, einem in den Zylinder eingesetzten hin- und herbewegbaren Kolben und in der Wand des Zylinders ausgebildeten Spülschlitzen, die vom sich bewegenden Kolben zu- und aufgesteuert werden, gekennzeichnet durch eine Liefereinrichtung (19, 19A, 19B, 26 bis 30, 26A bis 3OA, 26B bis 30B), die Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet und das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Spülschlitze (24, 24A, 24B) synchron zur Bewegung des Kolbens (13) in den Zylinder (12) einleitet, eine Einrichtung (25) zum Ableiten der Abgase aus dem Zylinder und eine in der Liefereinrichtung angeordneten Steuereinrichtung (30, 3OA, 3OB, 57A, 57B, 57C), die die Strömung des verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches zum Zylinder begrenzt, wobei der Brennraum (16) nur in seinem unteren Bereich über dem Kolben mit Luft-Kraftstoff-Gemisch gefüllt wird und dieser untere Bereich zwischen ungefähr 15 % und 35 % des Volumens des Brennraumes ausmacht und wobei das Luft-Kraftstoff-Gemisch im unteren Bereich in

909817/069?

- 5 - B 9232

Berührung mit dem Restgas steht und während des Verdichtungshubes gezündet und verbrannt wird.
17. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung zumindest eine Ablenkeinrichtung (57A, 57B, 57C) umfaßt, die kurzzeitig die Strömung des verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in Gegenrichtung ablenkt.
18. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet , daß die Liefereinrichtung (19,19A,19B, 26bis 30, 26A bis 3OA, 26B bis 30B), die das Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet und das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder einleitet, zumindest eine Leitung (26 bis 29, 26A bis 29A, 26B bis 29B) umfaßt, durch die das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch strömt und die in Verbindung mit den Spülschlitzen (24, 24A, 24B) steht, daß die Steuereinrichtung zumindest einen Resonator (30, 3OA, 30B) umfaßt, der ein Gehäuse (31, 34, 35) und zwei im Gehäuse so angeordnete Membranen (32, 33) aufweist, daß diese im Gehäuse eine obere Kammer (B), eine mittlere Kammer (A) und eine untere Kammer (C) abteilen, daß das Gehäuse mit zwei Anschlüssen (43, 44) versehen ist, die die mittlere Kammer mit der zumindest einen Leitung so verbinden, daß das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch durch diese Kammer strömt, daß das Gehäuse mit zwei weiteren Anschlüssen (45, 46) versehen ist, die die obere und die untere Kammer mit der umgebenden Atmosphäre verbinden, daß zwischen das Gehäuse und die obere Membran, zwischen die obere und die untere Membran und zwischen die untere Membran und das Gehäuse jeweils eine Druckfeder (36, 37, 38) eingesetzt ist und daß zwischen den Membranen und den Druckfedern Federsitze (39, 40, 41, 42) angeordnet sind, die als Resonanzmassen wirken, wobei dann, wenn sich der Kolben (13) nach unten bewegt, das

909817/0697

- 6 - B 9232

Luft-Kraftstoff-Gemisch in die mittlere Kammer strömt, die sich dabei ausdehnt, dann, wenn sich der Kolben so weit
nach unten bewegt hat, daß die Spülschlitze (24, 24A, 24B) aufgesteuert werden, das Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der
mittleren Kammer, die sich dabei zusammenzieht, in den Zylinder (12) gedrückt wird, und dann, wenn sich die mittlere Kammer nicht mehr zusammenzieht und wieder ausdehnt, der Druck in der mittleren Kammer abrupt sinkt, wodurch die Einleitung des verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches in den Zylinder unterbrochen bzw. beendet wird.
19. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, in dem ein Brennraum ausgebildet ist, einem in den Zylinder eingesetzten hin- und herbewegbaren Kolben, einem mit dem Zylinder verbundenen Kurbelgehäuse, das eine Kurbelkammer umschließt, und in der Wand des Zylinders ausgebildeten Spülschlitzen, die vom sich bewegenden Kolben zu- und aufgesteuert werden, gekennzeichnet durch eine Lieferexnrxchtung (19, 19A, 19B, 26 bis 30, 26A bis 3OA, 26B bis 30B), die
Luft-Kraftstoff-Gemisch in der Kurbelkammer verdichtet und das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Spülschlitze (24, 24A, 24B) synchron zur Bewegung des Kolbens

(13) in den Zylinder (12) einleitet und die einen Resonator (30, 3OA, 30B) aufweist, der in einer das Kurbelgehäuse (15) mit den Spülschlitzen verbindenden Leitung (26 bis 29, 26A bis 29A, 26B bis 29B) angeordnet ist, wobei der Resonator unter Volumenvergrößerung das Gemisch speichert,
während sich der Kolben nach unten bewegt und bis der Kolben die Spülschlitze öffnet, wobei der Resonator unter Volumenabnahme das gespeicherte Gemisch abgibt, nachdem die Spülschlitze geöffnet worden sind, so daß das Gemisch in
den Brennraum (16) eingeleitet wird, bis der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht, und wobei der Resonator sich erneut ausdehnt und dadurch das in der Leitung und den Spülschlitzen verbliebene Gemisch aufnimmt, wenn sich der KoI-

909817/0697

ben über seinen unteren Totpunkt hinausbewegt, so daß danach kein Gemisch durch die Spülschlitze in den Brennraum strömt.

909817/0697