DE2844159C2

DE2844159C2 - Verfahren zum Betreiben einer Zweitakt-Brennkraftmaschine sowie Zweitakt-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2844159C2
Application number: DE2844159A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Nagoya Noguchi; Taro Chiryu Tanaka; Yukiyasu Okazaki Tanaka
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1977-10-10
Filing date: 1978-10-10
Publication date: 1981-12-17
Also published as: DE2844159A1; JPS5455210A; GB2005766A; US4317432A; GB2005766B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Zweitakt-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie auf eine Zweitakt-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 11.

Ein solches Verfahren und eine solche Zweitakt-Brennkraftmaschine gehören aufgrund desjenigen Teils der DE-OS 27 58 492, dem ein älterer Zeitrang zukommt, zum nicht vorveröffentlichten Stand der Technik.

Aus der DE-PS 6 81 792 isv ein Verfahren zum Betreiben einer Zweitakt-Brennkrafünaschine bekannt, bei dem während des Spülens eine Gemischladung aus Luft und Kraftstoff in einen Zylinder eingeleitet wird, die während des Verdichtungshubes in Gegenwart von im Zylinder zurückgebliebenem Restgas verdichtet wird. Ferner ist aus dieser Vorveröffentlichung eine Zweitakt-Brennkraftmaschine bekannt mit einem Zylinder, in dem ein Brennraum ausgebildet ist, einem in den Zylinder eingesetzten, hin- und herbewegbaren Kolben, einem Kurbelgehäuse und einer Gemischaufbereitungseinrichtung, die eine Gemischladung aus Luft und Kraftstoff erzeugt und in Strömungsverbindung mit dem Kurbelgehäuse steht, wobei in der Wand des Zylinders zumindest ein Auslaßschlitz und zumindest ein Spülschlitz ausgebildet ist, der durch eine Leitung in Strömungsverbindung mit dem Kurbelgehäuse steht und durch den während des Spülens die Gemischladung aus Luft und Kraftstoff aus dem Kurbelgehäuse in den Zylinder einströmt. Bei diesem bekannten Verfahren und dieser bekannten Zweitakt-Brennkraftmaschine werden das Restgas und die Gemischladung möglichst innig miteinander vermischt, um gleichmäßigen Lauf zu erzielen.

Wenn die bekannte Zweitakt- B; ennkrafimaschine fremdgezündet wird, arbeitet sie mit einem verhältnismäßig niedrigen Verdichtungsverhältnis, was ein verhältnismäßig geringes Gewicht zur Folge hat. Allerdings ist es schwierig, die Frischladung um die Zündkerze herum zu konzentrieren. Ferner ist die Verbrennung aufgrund von Fehlzündungen nicht stabil, und bisweilen erfolgt eine Kurzschlußströmung der Frischladung aus dem Brennraum heraus. Dies hat zur Folge, daß die Kraftstoffausnutzung verhältnismäßig schlecht ist und daß große Mengen unverbrannter Kohlenwasserstoffe abgegeben werden. Wenn die Zweitakt-Brennkraftmaschine dagegen als Diesel-Brennkraftmaschine betrieben wird, kann eine bessere Kraftstoffausnutzung erreicht werder Wegen des höheren Verdichtungsverhältnisses ist jedoch das Gewicht der Brennkraftmaschine größer. Ferner sind bei einer Diesel-Zweitakt-Brennkraftmaschine die Verbrennungsgeräusche und Schwingungen so hoch, daß sich eine solche Brennkraftmaschine nicht für den Einsatz in städtischen Bereichen und insbesondere in Vohnbereichen eignet. Den Vorteilen der Zweitakt-Brennkraftmaschine, die im wesentlichen in hoher Leistung und einfachem Aufbau der Brennkraftmaschine liegen, stehen somit erhebliche Nachteile

gegenüber.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, gemäß Oberbegriff des Anspruchs I, zum Betreiben einer Zweitakt Brennkraftmaschine sowie eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 11, so zu verbessern, daß für zuverlässigere und bessere Zündung und damit für bessere Kraftstoffausnutzung gesorgt ist. Ferner soll die Geräusch- und Schwingungserzeugung sowie die Emission von unverbrannten Kohlenwasserstoffen möglichst gering sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß in Verbindung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch I zusätzlich vorgesehen ist, daß die Gemischladung in den Zylinder so eingeleitet wird, daß sie als Schicht unmittelbar oberhalb des Kolbens im Zylinder angeordnet ist und daß das Restgas als Schicht in einem vom Kolben entfernten Bereich angeordnet ist.

riliisiCtmiCn dcf Zwciiäki-DrennkräiimaSCninc wird

die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Verbindung mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 11 zusätzlich vorgesehen ist, daß der Zylinder, der Kolben, der Auslaßschlitz und der Spülschlitz so angeordnet und ausgebildet sind, daß während des Spülens die Gemischladung in den Zylinder als Schicht zwischen dem Kolben und dem im Zylinder zurückgebliebenen Restgas eingeleitet wird, das eine zweite Schicht bildet.

Wesentlich ist, daß das Restgas und die Gemischladung während des Verdichtungshubes im Zylinder geschichtet angeordnet sind, so daß der Kraftstoff der Gemischladung an der Grenzfläche zwischen der Schicht aus Gemischladung und der Schicht aus dem Restgas während einer gewissen Zeitdauer der Wärme des Restgases und der Verdichtungswärme ausgesetzt ist, was zu einer Spaltung bzw. Zersetzung eines Teils des Kraftstoffes im Gemisch führt, so daß chemisch stark aktive Radikale erzeugt werden, die die Zündbarkeit der Gemischladung erhöhen. Dabei werden die Radikale aufgrund der Schichtung in verhältnismäßig großer Menge erzeugt. Dadurch wird zuverlässige Verriichtungszündung bei niedrigeren Drücken und niedrigeren Temperaturen als bei herkömmlichen Zweitakt-Brennkraftmaschinen erreicht. Dies wiederum ermöglicht eine sehr gute Kraftstoffausnutzung und eine Verringerung der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe sowie eine Verringerung störender Geräusche und Schwingungen.

Aus der DE-AS 14 01228 war es bekannt, bei Diesel-Brennkraftmaschinen und selbstzündenden Mitteldruck-Brennkr-ftmaschinen Restgas im Zylinder zurückzubehalten, wobei dies in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und zu dem Zweck erfolgt, die Verbrennung verschiedenartiger Kraftstoffe zu ermöglichen. Dabei wird in der DE-AS 14 01228 als konkretes Verfahren ein Verfahren beschrieben, bei dem mit Kraftstoffeinspritzung gearbeitet wird. Bei Kraftstoffeinspritzung befindet sich während des Verdichtungshubes noch keine Gemischladung im Zylinder, so daß die Gemischladung auch nicht geschichtet angeordnet sein kann und die nach dem Einspritzen verfügbare Zeit für eine nennenswerte Reformierung nicht ausreicht

Aus der DE-OS 2012812 wer es bekannt, bei Viertakt-Brennkraftmaschinen im Zylinder eine Schichtung vorzunehmen. Dabei besteht die eine Schicht aus einer Gemischladung am Kolben, wogegen die andere Schicht am Zylinderkopf aus zurückgeführtem Abgas mit zugemischter Luft besteht. Dabei erfolgt die Zumischung von Luft zum zurückgeführten Abgas bewußt, weil das zurückgeführte Abgas im Zylinder nachverbrannt werden soll. Das zurückgeführte Abgas verliert zwangsläufig durch die Rückführung sowie die Luftzumischung Wärme, so daß die Schicht aus zurückgeführtem Abgas mit zugemischter Luft keine Reformierung bewirken kann.

ίο Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. I eine schematische .Schnittdarstellung einer Brennkraftmaschine, die besonders zur Durchführung einer ersten Ausführungsform des anmeldungsgemäßen Verfahrens geeignet ist,

Fig. 2 eine vergrößerte, horizontale Schnittdarstellung gemäß H-II in Fig. 1,

F i g. 3 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt, der einen Spülschlitz zeigt,

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Menge erzeugter Radikale und dem Kurbelwinkel wiedergibt.

F i g. 5 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 flzeigt, in der Zweitakt-Brennkraftmaschinen gemäß der Anmeldung betreibbar sind,

Fig.,- eine schematische Schnittdarstellung einer jo Zweitakt-Brennkraftmaschine, die besonders geeignet zur Durchführung einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens ist,

F i g. 7 eine vergrößerte Schnittdarstellung gemäß VII-VlI in Fig. 6.

Fig. 8. 9 und IO verschiedene Ablenkeinrichtungen, die in einem Spülkanal angeordnet werden können,

Fig. 11 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Liefergrad und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer Zweitakt-Brennkraftmaschine zeigt, wenn diese 4n anmeldungsgemäß betrieben wird.

F i g. 12 ein Indikatordiagramm einer herkömmlichen Zweitakt-Brennkraftmaschine und

Fig. 13 ein Indikatordiagramm einer anmeldungsgemäßen Zweitakt-Brennkraftmaschine.
In den Zeichnungen sind gleiche Elemente und Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Erste Ausführungsform (F i g. 1 bis 3)

Zunächst wird auf die F i g. 1 bis 3 eingegangen, in denen eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Zweitakt-Brennkraftmaschine dargestellt ist, die im folgenden der Einfachheit halb<j/ 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 10. 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

μ 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 Kurbelkammcr 19 befindet sich eine Kurbelwelle, die über eine Pleuelstange 20 mit dem Kolben 13 verbunden ist. Über eine Saiiglcitung 21 stehen ein Luftfilter 225 sowie ein Vergaser 22A mit dem Kurbelgehäuse 15 in Verbindung. Das vom Vergaser 22A aufbereitete Luft-Kraftstoff-Gemiseh wird durch die Saugleitung 21 sowie ein Zungenventil 23 in die Kurbelkammer 19 eingeleitet, während sich der Kolben 13 nach oben bewegt.

Wie in Fi g. 2 mit ausgezogenen Linien dargestellt ist, weist der Zylinder 12 zwei .Spülschlitze W auf, die im wesentlichen symmetrisch zur Achse des Zylinders 12 einander gegenüber angeordnet sind. Einer dieser Spülschlitze kann jedoch auch an der in F i g. 2 strichpunktiert dargestellten Stelle ausgebildet sein. Kerner 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 29 in Verbindung iuii einer AuMiiii:>üniiüi~ig 2S am Kurbelgehäuse 15. Während sich der Kolben 13 nach unten bewegt, wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch aus der Kurbclkammer 19 in den Zylinder 12 gedruckt.

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

Der Resonator 30 steuert die Versorgung der Spülschlitze 24 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. flund 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 Leitung 27 und über einen Anschluß 44 mit der Leitung 28 in Verbindung. Die obere Kammer Sund 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 Spülschliize 24 und der Ausiaßschlilz 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 IZ

Da die Spülschlitze 24 horizontal und tangential bezüglich des Zylinders 12 angeordnet sind und da ferner die Menge des in den Zylindern 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 1.3 eine Wirbelströmung bildet, und zwar auch dann, wenn einer der Spülschlitze die in F i g. 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 die Gefahr, daß die Schichtung

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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 ßund der unteren Kammer Czusammengedrückt 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 Volumin» 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 β und der unteren Kammer Csich 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 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 der 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, daB 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 Teils des Benzins im Gemisch, so daß chemisch stark aktive Radikale wie Kohlenwasserstoffe, C?, OOH, CHO, H usw. erzeugt werden.

Diese Radikale sind sehr reaktionsfreudig, 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.

Die Radikale wurden optisch gemessen, und ihre Konzentration ist als Lichtstärke in Fig.4 dargestellt. Es ist erkennbar, daß die Kohlenwasserstoffe und C2, 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 reaktionsfreudig, 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 F i g. 5 gezeigt ist. In Fig.5 ist der maximale Druck Pauf der Ordinate in Abhängigkeit von der Verbrennungstemperatur Tauf der Abszisse dargestellt. Diesel-Brennkraftmaschinen können nur im Bereich A mit hohen Temperaturen und hohen Drücken arbeiten, wogegen anmeldungsgemäße 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 es jedoch, die Restgase, fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch und mageres Luft-Kraftstoff-Gemisch zu schichten, um dadurch die Erzeugung der Radikaie noch mehr zu erleichtern, wie im folgenden ausführlich beschrieben wird.

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Zweite Ausführungsform (F i g. 6 und 7)

Im folgenden wird auf die F i g. 6 und 7 eingegangen, die eine zweite Ausführungsform /eigen, bei der die Kurbelkammcr aus einer ersten Kurbclkammer 19/t und einer zweiten Kurbelkammer 190 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-Kraflstoff-Gemisch in die erste Kurbelkammer 19-4, 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 19ß eingesaugt, während sich der Kolben 13 nach oben bewegt.

Der Zylinder 12 ist mit zwei Spülschlitzcn 24,4 für fettes Gemisch und zwei Spülschlitzen 24ßfür mageres Gemisch versehen. Die zwei Spülschlitze 24A und auch die zwei Spülschlitze 240 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 24/4, d. h. die Spülschlitze für fettes Gemisch, und schließlich die zweiten Spülschlitze 240, d. h. die Spülschlitze für mageres Gemisch aufgesteuert. Die ersten Spüischlitze 24A stehen über eine Leitung 27/4, einen Resonator 30/4, eine Leitung 28/4 und Spülkanäle 29,4 in Verbindung mit einer Austrittsöffnung 26,4 der ersten Kurbelkammer 19/4 für fettes Gemisch. Auf entsprechende Weise stehen die zweiten Spülschlitze 24ß, d. h. die Spülschlitze für mageres Gemisch, über eine Leitung 27S, einen Resonator 30ß eine Leitung 28ß und Spülkanäle 29ß in Verbindung mit einer Austrittsöffnung 260 der zweiten Kurbelkammer 190. 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 24/4 bzw. die zweiten Spülschlitze 240in den Zylinder 12 ein.

Die ersten Spülschlitze 24/4 und die zweiten Spülschlitze 240 sind wie bei der ersten Ausführungsform horizontal und tangential zum Zylinder 12 ausgebildet, so daß den eintretenden Gemischen eine nihige Wirbelbewegung aufgeprägt wird. Der Resonator 30/4 und der Resonator 300 haben im wesentlichen gleichen Aufbau und gleiche Wirkungsweise wie der vorstehend beschriebene Resonator 30, so daß die Resonatoren 30A und 30ß nicht erneut beschrieben werden.

Die ersten Spülschlitze 24/4 und die zweiten Spülschlitze 24ß 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 Spüischlitze 24/4 und die zweiten Spüischlitze 240 in der genannten Reihenfolge aufgesteuert werden. Das fette Gemisch wird langsam durch die ersten Spülschlitze 24A in den Zylinder 12 eingeleitet und bildet schwache Wirfaei unmittelbar oberhalb der Stirnseite des Kolbens 13, da das fette Gemisch keine aufwärtseerichtete Geschwin-

digheitskomponente hai. 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.

Wenn sich der Kolben 13 weiter nach unten bewegt, so daB die zweiten Spülschlitze 24S 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 30/4 und 30 ö abgebrochen, und zwar auf ähnliche Weise, wie dies be^; 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 äes Verdichtungshubes erfolgt wie bei der ersten Ausführungsform die Spaltung b?w. Zersetzung eines Teils des Kraftstoffes 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 der Kohlenwasserstoffe, des C₂, 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 Lufl-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.

Ablenkeinrichtungen(Fig. 8bis 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 Schichtiadung kann erreicht werden durch Anwendung einer Kombination aus einer Zwischenwand 56 mit einer darin ausgebildeten öffnung 55 sowie einer Ablenkeinrichtung 57A bzw. 57B bzw. 57C, wie sie in den F i g. 8 bis 10 gezeigt ist. Die Zwischenwand 56 und die Ablenkeinrichtung 57Λ 57Ö bzw. 57C, die die Strömungsrichtung des Luft-Kraftstoff-Gemisches umkehrt, sind in den Spülkanälen 29 bzw. 29Λ bzw. 29ß angeordnet, und die Ablenkeinrichtung befindet sich stromab der Öffnung 55. Die Zwischenwand 56 mit der öffnung 55 und die Ablenkeinrichtung 57 A bzw. 575 bzw. 57Cbewirken sine stärker beruhigte Strömung des Luft-Kraftstoff-Gemisches zu den Spülscnlitzen 24 bzw. 24,4 bzw. 24S, so daß noch besser verhindert wird, daß sich die Frischladung mit den Restgasen mischt.

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

In F i g. 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 VerdichtungS-ündung 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-Gcmisches 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 Verdichtungszündung 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.

Fig. 12 zeigt ein Indikatordiagramm eines herkömmlichen Zweitaktmotors in Schnürle-Bauart (223 cm¹). Es ist erkennbar, daß der Druck im Brennraum in einem weiten Bereich variiert. Die niedrigen Druckampluuden deuten auf Fehlzündung und unzureichende Verbrennung. Fig. 13 zeigt ein Indikatordiagramm eines crlmdungsgemäßen Zweitaktmotors mit Verdichtungszündung (223 cm'). Es ist deutlich erkennbar, daß die Druckamplituc'en 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, Manr.-Motoren, Gleichstrom-Zweitaktmotoren usw. und daß außer Benzin auch Kerosin, Alkohole, LPG (flüssiges Erdgas) und LNG (verflüssigtes Naturgas) verwendet werden können.

Gemäß dem anmeldungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Zweitakt-Brennkraftmaschine bildet das während des Expansionshubes in den Zylinder eingeleitete Luit-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. Gemäß einer Weiterbildung 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 au-, 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 enthaltende Wärme wird die Spaltung bzw. Zersetzung eines Teils des Luft-Kraftstoff-Gemisches bzw. des fetten Luft-Kraftstoff-Gemisches bewirkt, so daß chemisch aktivierte Radikale entstehen. Während des Verdichtungshubes wird das die Radikale enthaltende Luft-Krafistoff-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. Darüber hinaus wird eine sehr gute Kraftstoffausnutzung erreicht und kann die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe minimal gehalten werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben einer Zweitakt-Brennkraftmaschine, bei dem während des Spülens eine Gemischladung aus Luft und Kraftstoff in einen Zylinder so eingeleitet wird, daß die Gemischladung in Berührung mit dem im Zylinder zurückgebliebenen warmen Restgas steht, und bei dem die Füllung aus Restgas und Gemischladung danach auf ein Verdichtungsverhältnis zwischen ungefähr 4 und 10 verdichtet wird, während die Gemischladung der Wärme des Restgases und der Verdichtungswärme ausgesetzt ist, so daß ein Teil der Gemischladung durch die Wärme chemisch reformiert wird und j5 Radikale entstehen, die zumindest einen Stoff aus der Gruppe C₂, CH, CHO, 0OH und H enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischladung in den Zylinder so eingeleitet wird, daß sie als Schicht unmittelbar oberhalb das Kolbens im Zylinder angeordnet ist und daß das Restgas als Schicht in einem vom Kolben entfernten Bereich angeordnet ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischladung in den Zylinder mit einem Liefergrad zwischen ungefähr 0,15 und 035 eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischladung während des Spülens in den Zylinder in einer zur oberen Stirnfläche des Kolbens im wesentlichen parallelen Ebene eingeleitet wird.

4. Verfahren nach Xnspn-'h 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemrchladung in den Zylinder so eingeleitet wird, daß ein zur oberen Stirnfläche des Kolbens paralleler Wirbel entsteht

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung der Gemischladung in den Zylinder zu dem Zeitpunkt unterbrochen wird, zu dem der dem Zylinder zugeordnete Kolben seinen unteren Totpunkt durchläuft.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischladung durch eine Ablenkeinrichtung in den Zylinder eingeleitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischladung durch einen Resonator in den Zylinder eingeleitet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischladung aus einem fetten, ersten Luft-Kraftstoff-Gemisch und einem mageren, zweiten Luft-Kraftstoff-Gemisch besteht, wobei während des Spülens zunächst das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch und danach das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch so eingeleitet werden, daß das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch eine Schicht am Kolben und das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch eine Schicht zwischen dem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch und dem Restgas bildet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der beiden Luft-Kraftstoff-Gemische durch eine Ablenkeinrichtung in den Zylinder eingeleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der beiden I.uft-Kraftstoff-Gemische durch einen Resonator in den Zylinder eingeleitet wird.

11. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einem Zylinder, in dem ein Brennraum ausgebildet ist, einem in den Zylinder eingesetzten, hin- und herbewegbaren Kolben, einem Kurbelgehäuse und einer Gemischaufbereitungseinrichtung, die eine Gemischladung aus Luft und Kraftstoff erzeugt und in Strömungsverbindung mit dem Kurbelgehäuse steht, wobei in der Wand des Zylinders zumindest ein Auslaßschlitz und zumindest ein Spülschlitz ausgebildet ist, der durch eine Leitung in Strömungsverbindung mit dem Kurbelgehäuse steht und durch den während des Spülens die Gemischladung aus Luft und Kraftstoff aus dem Kurbelgehäuse in den Zylinder einströmt, in dem die Gemischladung in Be.-ührung mit im Zylinder zurückgebliebenem wannen Restgas steht, und wobei die Füllung aus Restgas und Gemischladung auf ein Verdichtungsverhältnis zwischen ungefähr 4 und 10 verdichtet wird, während ein Teil der Gemischladung durch die Wärme des Restgases und die Verdichtungswärme chemisch reformiert wird und Radikale entstehen, die zumindest einen Stoff aus der Gruppe C₂, CH, CHO, OOH und H enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (12), der Kolben (13), der Auslaßschlitz (25) und der Spülschlitz (24,24Λ, 24B) so angeordnet und ausgebildet sind, daß während des Spülens die Gemischladung in den Zylinder (12) als Schicht zwischen dem Kolben (13) und dem im Zylinder zurückgebliebenen Restgas eingeleitet wird, das eine zweite Schicht bildet

12. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülschlitz (24) tangential in der Wand des Zylinders (12) mündet.

13. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (26 bis 29), die das Kurbelgehäuse (15) mit dem Spülschlitz (24) verbindet, eine Unterbrechungseinrichtung (30) angeordnet ist, die die Einleitung der Gemischladung in den Zylinder (12) zu dem Zeitpunkt unterbricht, zu dem der Kolben (13) seinen unteren Totpunkt durchläuft.

14. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungseinrichtung einen Resonator (30) umfaßt, der ein Gehäuse (31, 34, 35) aufweist, daß zwei im wesentlichen parallele Membranen (32,33) quer zum Gehäuseinneren verlaufen und darin eine erste Kammer (B) eine zweite Kammer (Α)υηά eine dritte Kammer (C) abteilen, wobei die erste und die dritte Kammer an entgegengesetzten Enden des Gehäuses angeordnet und zur umgebenden Atmosphäre entlüftet sind, daß die zweite Kammer zwischen den beiden Membranen eingeschlossen ist und zwei Anschlüsse (43,44) aufweist, die die zweite Kammer mit der Leitung (26 bis 29) verbinden, daß in die erste Kammer eine erste Druckfeder (37) eingesetzt ist, die eine der Membranen (32) elastisch zur zweiten Kammer drückt, daß eine zweite Druckfeder (36) in die zweite Kammer eingesetzt ist, die die beiden Membranen elastisch auseinandergedrückt, und daß eine dritte Druckfeder (38) in die dritte Kammer eingesetzt ist, die die andere Membran (33) elastisch zur zweiten Kammer drückt.

15. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 13 oder Ί4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Unterbrechungseinrichtung (30) und dem Spülschlitz (24) eine Ablenkeinrichtune (57,4. 57R 57O

zur Beruhigung der in den Zylinder (12) einströmenden Gemischladung angeordnet ist.

16. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine elastisch verformbare Trennwand (51) das Innere des Kurbelgehäuses in eine erste Kurbelkammer (19A) variablen Volumens und eine zweite Kurbelkammer (i9B) variablen Volumens unterteilt, die jeweils aus der Gemischaufbereitungseinrichtung mit einem fetten Lutt-Kraftstoff-Gemisch bzw. einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch versorgt werden, wobei die erste Kurbelkammer (i9A) mit einem Spülschlitz (24A) verbunden ist, durch den das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch eingeleitet wird, und wobei die zweite Kurbelkammer (Ϊ9Β) mit einem anderen Spülschlitz (24B) verbunden ist, durch den das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch eingeleitet wird, und daß det Zylinder (12), der Kolben (13), der Auslaßschlitz und die Spülschlitze (24Λ; 24.Bj so angeordnet und ausgebildet sind, daß während des Spülens zunächst das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder zwischen den Kolben und das Restgas s.> eingeleitet wird, daß das fette Luft-Kraftstoff-Gemisch und das Restgas miteinander in Berührung stehende Schichten bilden, wonach ebenfalls während des Spülens das magere Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder so eingeleitet wird, daß es eine zwischen dem Kolben und der Schicht aus fettem Luft-Kraftstoff-Gemisch angeordnete Schicht bildet

17. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülschlitze (24A:24B) tangential in der Wand des Zylinders (12) münden.

18. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch

16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß in den Leitungen (26Λ, 27-4, 28A, 29/4; 265, 27B, TAB, 29B), die die Kurbelkammern (19A; \9B) mit den Spülschlitzen (24/4, 24B) verbinden, jeweils eine Unterbrechungseinrichtung (3OA, 30B) angeordnet ist, dir die Einleitung des fetten bzw. mageren Luft-Kraftstoff-Gemisches in den Zylindern (12) zu dem Zeitpunkt unterbricht, zu dem der Verdichtungshub beginnt.

19. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß jede Unterbrechungseinrichtung einen Resonator (30/4; 30B) umfaßt, der ein Gehäuse (31, 34, 35) aufweist, daß zwei im wesentlichen parallele Membranen (32, 33) quer zum Gehäuseinneren verlaufen und darin eine erste Kammer (B), eine zweite Kammer (Α)\ιηά eine dritte Kammer (C) abteilen, wobei die erste und die dritte Kammer an entgegengesetzten Enden des Gehäuses angeordnet und zur umgebenden Atmosphäre entlüftet sind, daß die zweite Kammer zwischen den beiden Membranen eingeschlossen ist und zwei Anschlüsse (43,44) aufweist, die die zweite Kammer mit der zugehörigen Leitung (26/4, 27/4, 28Λ, 29/4; 26ß, 27Ä, 2ΆΒ, 29B) verbinden, daß in die erste Kammer eine erste Druckfeder (37) eingesetzt ist, die eine der Membranen (32) elastisch zur zweiten Kammer drückt, daß eine zweite Druckfeder (36) in die zweite Kammer eingesetzt ist, die die beiden Membranen elastisch auseinanderdrückt, und daß eine dritte Druckfeder (38) in die dritte Kammer eingesetzt ist, die die andere Membran (33) elastisch f>'> zur zweiten Kammer drückt.

20. Zweitakt-Brj inkraftmaschine nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen der Unterbrechungseinrichtung (30/4; 30B) und dem zugehörigen Spülschlitz (24Λ; 24SJ eine Ablenkeinrichtung (57Λ 57ß, und 57Cj zur Beruhigung des in den Zylinder einströmenden Luft-Kraftstoff-Gemisches angeordnet ist.