DE3222081A1

DE3222081A1 - Zuend-brennverfahren einer brennkraftmaschine und zweitakt-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3222081A1
Application number: DE19823222081
Authority: DE
Inventors: Pan Do Kanazawa Ishikawa Jo; Souk Hong Tokyo Jo; Satoshi Ishikawa Kato; Sigeru Kanazawa Ishikawa Onishi
Original assignee: NIPPON CLEAN ENGINE RES; Nippon Clean Engine Res Inst Co Ltd
Current assignee: NIPPON CLEAN ENGINE RES; Nippon Clean Engine Res Inst Co Ltd
Priority date: 1981-10-23
Filing date: 1982-06-11
Publication date: 1983-05-11
Also published as: IT1152215B; FR2515260B1; IT8221568A0; FR2515260A1; DE3222081C2

Description

Zünd-Brennverfahren einer Brennkraftmaschine und Zweitakt-Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweitakt-Einspritzbrennkraftmaschine und ein Zünd-Brennverfahren einer derartigen Maschine.

Es ist bekannt, daß eine fremdgezündete Zweitakt-Brennkraftmaschine, in die der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, den Vorteil aufweist, daß die Kraftstoffmenge, die in den Abgaskanal gelangen kann, sich beträchtlich reduzieren läßt und daß sich als Ergebnis ein guter thermischer Wirkungsgrad und ein geringer Schadstoffanteil in den Abgasen erzielen läßt, wenn die Maschine unter mittlerer oder großer Belastung betrieben wird. Wenn eine solche Zweitakt-Brennkraftmaschine jedoch unter geringer Last betrieben wird, dann ist es schwierig, eine stabile Verbrennung aufrechtzuerhalten. Eine konventionelle Zweitakt-Maschine wird daher zur Erzielung einer stabilen Verbrennung bei geringer Belastung mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben oder der Beginn der Verbrennung wird durch größere Verzögerung des Zündzeitpunkts verzögert. Als Folge davon ergibt sich bei einer konventionellen Zweitakt-Maschine trotz der Einspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder der Nachteil, daß wenn die Maschine unter geringer Last arbeitet, der thermische Wirkungsgrad vermindert und der Anteil der Schadstoffe in den Abgasen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, relativ groß ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Zünd-Brennverfahren und eine Zweitakt-Brennkraftmaschine anzugeben, mit denen eine beachtliche Steigerung des thermischen Wirkungsgrades und eine Verringerung der Schadstoffanteile beim Betrieb mit geringer Last im Vergleich zum Bekannten erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch den Patentanspruch 1, bezüglich der Maschine durch den Patentanspruch gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.

Bei der vorliegenden Erfindung wird zur Verbesserung der Verbrennung bei geringer Belastung der Maschine durch Zurückhalten eines großen Anteils unverbrannter oder unvollständig verbrannter Anteile und Sauerstoff in dem in der Brennkammer im vorausgegangenen Arbeitszyklus erzeugten Restgas und durch Bewahrung des Restgases bei hoher Temperatur und Verhindern von Störung und Kühlung des Restgases, die durch ein abruptes Einströmen einer Frischluftladung, einer starken Quetschströmung und einer kräftigen Düsenströmung zwischen der Hauptbrennkammer und der Vorbrennkammer hervorgerufen werden könnten, die Oxidationsreaktion im Restgas kontinuierlich während der Zeitdauer vom Expansionstakt bis zum Ende des Kompressionstaktes über das Ende des Verbrennungstaktes des vorangehenden Arbeitszyklus hinaus aufrechterhalten. Die fortgeführte Oxidationsreaktion ruft dann eine Selbstzündung des in der Brennkammer zurückgehaltenen Gases hervor und dieses zündet dann das weiterhin in der Brennkammer enthaltene frische Luft-Kraft s to ff - Gemis ch .

Im oben genannten Verbrennungsprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung wird selbst nach Vollendung der eine große Hitze hervorrufenden Hauptverbrennung eine gelinde Oxidationsreaktion anstatt einer schnellen Verbrennung im Restgas während des Expansionstaktes, des Auslaß-Spültaktes und dem Anfangsbereich des nachfolgenden Verdichtungstaktes kontinuierlich fortgeführt. Die gelinde Oxidationsreaktion, die im Restgas durchgeführt wird, beschleunigt sich in Übereinstimmung mit dem Anstieg der Dichte und der Temperatur des Restgases während des Verdichtungstaktes und führt zu einer Selbstzündung des Rest-

gases, wodurch schließlich das frische Brenngas gemisch gezündet wird. In einem solchen Verbrennungsprozeß wird wegen des großen Anteils trägen Restgases in der Brennkammer eine gelinde und stabile Verbrennung in jedem Zyklus durchgeführt, während eine außerordentliche Verbrennung, die einen plötzlichen Druckanstieg zur Folge hat und durch die Oberflächenzündung, die Vorzündung, die Selbstzündung einer Dieselmaschine und die durch Klopfen einer Benzinmaschine hervorgerufen werden könnte, nicht stattfindet. Außerdem wird das frische Brenngas-Gemisch, das sich in einen großen Anteil des Restgases ausbreitet und sich mit diesem mischt, in diesem nicht vollständig verbrannt und bleibt als unverbrannter Anteil oder als unvollständig verbrannter Anteil zurück. Diese unverbrannten und unvollständig verbrannten Anteile rufen kontinuierlich eine Oxidationsreaktion zusammen mit dem Sauerstoff hervor, der in dem Restgas zurückbleibt, was während des Auslaß-Spültaktes und des Verdichtungstaktes des nachfolgenden Zyklus fortgeführt wird und dann die Selbstzündung im nächsten Arbeitszyklus hervorruft.

Obgleich bei der vorliegenden Erfindung Kraftstoff in den Zylinder der Maschine eingespritzt wird und dann eine Selbstzündung auftritt, ist diese Selbstzündung doch völlig verschieden von der, die in einer üblichen Dieselmaschine auftritt. Bei einer Dieselmaschine wird der Kraftstoff bei einem Kurbelwinkel leingespritzt , der nahezu dem oberen Todpunkt am Ende des Verdichtungstaktes entspricht. Im Gegensatz hierzu wird bei der vorliegenden Erfindung mit der Kraftstoffeinspritzung bei einem Winkel zwischen 60° und 70° vor dem unteren Todpunkt begonne'n, bei welchem der Auslaß- und Spülvorgang beginnt, und bei einem Kurbelwinkel von 50° vor dem oberen Todpunkt, und die Kraftstoffeinspritzung wird hauptsächlich während der Beginnphase und der Mittelphase des Verdichtungstaktes ausgeführt. Auch ist bei der vorliegenden Erfindung das Ver-

dichtungsverhältnis der Maschine relativ gering, es ist kleiner als 12:1. Auch ist es:bei der vorliegenden Erfindung unmöglich, die Maschine ohne Fremdzündung oder Glühzündung unabhängig von der Temperatur der in:den Zylinder eingelassenen Luft zu starten.

Eine weitere bekannte Maschine, bei der Selbstzündung auftritt, ist die Lohmann-Maschine. Das Verdichtungsverhältnis einer Lohmann-Maschine ist jedoch völlig verschieden von dem bei der vorliegenden Erfindung und daher kann man die Selbstzündung bei der Lohmann-Maschine leicht _mit jener bei vorliegender Erfindung vergleichen. ί .

Andererseits ist es bei einer Zweitakt-Maschine, die mit (in einem Vergaser) vorgemischtem Gemisch arbeitet, bekannt, eine Selbstzündung mit Hilfe einer aktiven thermoatmosphären Verbrennung hervorzurufen. Eine solche Maschine weist einen relativ langen Oberleitungskaiial auf, der die Durchmischung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, jdie Verdampfung und die Bildung von Radikalen begünstigen-soll. Derartiges ist in der JA-PS 56-38766 und in der J^-OS 54-28916 beschrieben. Im Gegensatz hierzu wird bei vorliegender Erfindung der Kraftstoff in den Zylinder der Maschine ^eingespritzt und es wird'eine gelinde und stabile Verbrennung während jedes Zyklus in der Weise ausgeführt, daß verstäubter Kraftstoff, frische Luft, die in den Zylinder vom Spülschlitz einfließt, und heißes Restgas, das vom vorangegangenen Arbeitszyklus im Zylinder zurückgeblieben ist, so gesteuert werden, daß sie als Schichten vorliegen und miteinander durch Diffusion des zerstäubten Kraftstoffes gemischt werden. Die Selbstzündung bei vorliegender Erfindung ist daher völlig unterschiedlich von der Selbstzündung, die durch Mischung der voi'gemischten Ladung mit dem Restgas in einem mit aktiver thei'moatmosphärischer Verbrennung arbeitenden System hervorgerufen ^[

Auch wird bei der oben erwähnten bekannten Zweitakt-Maschine die Spülung der verbrannten Gase mit Hilfe des Gemischs aus Kraftstoff und Luft durchgeführt. Im Gegensatz hierzu wird bei der Erfindung die Spülung der verbrannten Gase nur durch Luft hauptsächlich unmittelbar nach öffnung des Spülschlitzes durchgeführt und der Kraftstoff wird in den Zylinder zu einem gewünschten, vom Spülvorgang unabhängigen Zeitpunkt eingespritzt. Daher ist es hier möglich, das Entweichen von verstäubten Kraftstoff aus dem Zylinder in den Abgaskanal zu verhindern. Da die Diffusion des zerstäubten Kraftstoffs in die frische Luft und in das heiße Restgas einfach gesteuert werden kann und gleichzeitig auch die Durchmischung des zerstäubten Kraftstoffes mit der frischen Luft und dem Restgas einfach gesteuert werden kann, ist es auch möglich, eine gesteuerte Verbrennung durchzuführen, indem der zerstäubte Kraftstoff, die frische Luft und das Restgas geschichtet werden. Betrachtet man sich die Wirkung, die man mit einer solchen gesteuerten Verbrennung erzielen kann, beispielsweise wenn man mit der Kraftstoffeinspritzung in den Zylinder beginnt, wenn der Kurbelwinkel von 90° bis 50° vor dem oberen Todpunkt beträgt, dann ist es möglich, die untere Grenze des Bereiches geringer Belastung, bei welcher eine stabile Selbstzündung durchgeführt werden kann, beachtlich zu senken im Vergleich zu der oben genannten, mit vorgemischter Ladung arbeitenden Zweitakt-Maschine, Dies bedeutet, daß wenn man den Kraftstoff in den Zylinder bei einem Kurbelwinkel einspritzt, der nahe dem unteren Todpunkt ist, oder wenn man die Spülung mit vorgemischter Ladung ausführt, wenn die Maschine bei leichter Last betrieben wird, bei der das Zuführungsverhältnis extrem klein ist, dann diffundiert ein brennbares Gemisch sehr weitgehend in eine große Restgasmenge während des Verdichtungstaktes der Maschine, die Dichte des Brenngasgemisches wird klein und als Folge davon wird weniger leicht bei einem Kurbelwinkel nahe dem oberen Todpunkt am Ende des Verdichtungstaktes eine Selbstzündung hervorgebracht. Im Gegensatz hierzu wird durch! einen Beginn der Ein-

spritzung des Kraftstoffs in den Zylinder bei einem Kurbelwinkel zwischen 90° und 50° vor dem oberen Todpunkt des Kolbens das brennbare Gemisch bei Erreichen des Endes des Verdichtungstaktes in einem diffundierenden und mischenden Zustand gehalten, der optimal ist, um eine Selbstzündung hervorzubringen. Gleichzeitig wird das brennbare Gemisch auf einer Temperatur gehalten, die optimal ist, um diese Selbstzündung hervorzubringen. Dies führt zu einer stabilen Selbstzündung .

Die vorliegende Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Zweitakt-Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, in der einige Teile weggeschnitten sind;

Fig. 2 einen seitlichen Schnitt durch die Maschine nach Fig. 1;

Fig. 3 einen seitlichen Schnitt längs der Linie III-III von Fig. 2;

Fig. 4 Draufsichten auf das Spülsteuerventil;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer Zweitakt-Maschine, teilweise weggebrochen;

Fig. 6 einen Schnitt durch die Maschine nach Fig. 5;

Fig. 7 Schnitte längs der Linie VII-VII von Fig. 6 in verschiedenen Betriebs zuständen;

Fig. 8 ein Diagramm bezüglich des Einspritzzeitpunktes;

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Fig. 9 ein Indikatordiagramm der Maschine nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 ein Indikatordiagramm einer üblichen Zweitakt-Maschine ;

Fig. 11 ein Diagramm des spezifischen Kraftstoffverbrauches ;

Fig. 12 ein Diagramm der Kohlenmonoxidkonzentration; Fig. 13 ein Diagramm der Kohlenwasserstoffkonzentration;

Fig. 14 ein Diagramm des spezifischen Kraftstoffverbrauchs;

Fig. 15 ein Diagramm der Kohlenmonoxidkonzentration, und Fig. 16 ein Diagramm der Kohlenwasserstoffkonzentration.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung, angewendet an einer Schnürle-Zweitakt-Maschine. Man erkennt ein Kurbelgehäuse 1, einen am Kurbelgehäuse 1 befestigten Zylinderblock 2, einen am Zylinderblock 2 befestigten Zyklinderkopf 3, einen Kolben 4 mit annährend flachem Boden, der sich in einer Zylinderbohrung 5 hin- und herbewegt, eine Brennkammer 6 zwischen dem Zylinderkopf 3 und dem Kolben 4, eine Kurbelwelle 7, ein an der Kurbelwelle 7 befestigtes Gegengewicht 8 und eine Pleuelstange 9, die den Kolben 4 mit dem Gegengewicht 8 verbindet. Der Zylinderkopf 3 weist eine konkave Innenwand 10 auf und eine Zünd- oder Glühkerze 11 ist im Zentrum der konkaven Innenwand 10 angeordnet. Zusätzlich ist in der konkaven Innenwand 10 nahe der Zündkerze 11 eine Kraftstoffeinspritzdüse 12 angeordnet. Diese Einspritzdüse ist mittels einer Kraftstoffleitung 13 mit einer Einspritz-

pumpe 14 verbunden, die über einen Riemen 15 von der Kurbelwelle 7 angetrieben ist. Die Einspritzung wird auf nachfolgend beschriebene Weise von der Einspritzpumpe 14 gesteuert. Wie Fig. 2 zeigt, ist an der Innenwand der Zylinderbohrung 5 eine Einlaßöffnung 16 ausgebildet, die von dem Kolben 4 abwechselnd verschlössen und geöffnet wird. Zur Einlaßöffnung 16 führt eine Ansaugleitung 17. Ein Drosselventil 18, das von einer Welle 19 getragen wird, ist in der Ansaugleitung angeordnet. An der Welle 19 ist ein Arm 20 befestigt, der mit einem Betätigungshebel, beispielsweise einem Gasgriff oder Gaspedal (nicht dargestellt)^verbunden ist. Wenn sich der Kolben 4 nach oben bewegt und die Einlaßöffnung 16 öffnet, dann wird in konventioneller Weise Umgebungsluft in den Innenraum des Kurbelgehäuses 1 eingeleitet. Anschließend, wenn sich der Kolben 4 nach unten bewegt und die Einlaßöffnung 16 verschließt, wird die in den Innenraum des Kurbelgehäuses 1 eingeleitete Luft verdichtet.

Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, befindet sich eine Abgasöffnung 21, an die sich eine Abgasleitung 22 anschließt, in der Innenwand der Zylinderbohrung 5 und wird durch den Kolben 4 abwechselnd verschlossen und geöffnet. In der Abgasleitung 22 befindet sich ein Abgasregelventil 23, das von einer Ventilwelle 24 getragen ist. An der Ventilwelle 24 ist ein Hebelarm 25 befestigt, der mit dem oben erwähnten Betätigungshebel (Gasgriff oder Gaspedal) verbunden ist, so daß der Öffnungsgrad des Abgas regelventils 23 vergrößert wird, wenn die Öffnung am Drosselventil 18 vergrößert wird.

Wie in Fig. 3 dargestellt, sind in der Innenwand der Zylinderbohrung 5 weiterhin zwei Spülschlitze 26 ausgebildet, die vom Kolben 4 ebenfalls verschlossen bzw. geöffnet werden können. Diese Spülschlitze 26 stehen mit dem Innenraum des Kurbelgehäuses 1 über entsprechende Überleitkanäle 2 7 in Verbindung, die sich durch den Zylinderblock 2 und das Kurbelgehäuse 1 erstrecken. Zusätzlich ist, wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, ein

Spülsteuerventil 28 in Form einer ringförmigen Scheibe vorgesehen, die drehbar zwischen die Oberseite des Kurbelgehäuses 1 und die Unterseite des Zylinderblocks 2 eingefügt ist. Wie Fig. 4 zeigt, weist das Spülsteuerventil 28 zwei öffnungen 29 auf, die mit den entsprechenden Überleitkanälen 27 in Deckung gebracht werden können. Wenn das Spülsteuerventil 28 sich in der in Fig. 4a dargestellten Position befindet, dann sind die öffnungen 29 vollständig mit den entsprechenden Überleitungskanälen 27 in Deckung und daher ist der Öffnungsquerschnitt an den öffnungen 29 maximal. Wenn das Spülsteuerventil 28 in die in Fig. 4b dargestellte Lage verdreht ist, dann befinden sich die öffnungen 29 nur teilweise in Deckung mit den entsprechenden Überleitkanälen 27 und daher ist der freie Öffnungsquerschnitt der öffnungen 29 verringert. Das Spülsteuerventil 28 weist einen Arm 30 auf, der einstückig an ihm ausgebildet ist und der mit dem schon oben erwähnten Hebel verbunden ist, um das Spülsteuerventil 28 so zu steuern, daß der Öffnungsquerschnitt an den öffnungen 29 vergrößert wird, wenn auch der freie Öffnungsquerschnitt des Drosselventils 18 vergrößert wird.

Wenn sich der Kolben 4 nach unten bewegt und die Abgasöffnung öffnet, dann wird das verbrannte Gas aus der Brennkammer 6 in die Abgasleitung 22 abgegeben. Wenn dann der Kolben 4 sich weiter nach unten bewegt und auch die Spülschlitze 26 öffnet, dann wird die im Kurbelgehäuse 1 unter Druck stehende Luft über die Überleitkanäle 27 und die Spülschlitze 26 in die Brennkammer 6 eingeleitet und spült dort die verbrannten Gase aus. Dann wird Kraftstoff in die Brennkammer 6 mit der Einspritzdüse 12 in der nachfolgend im Detail beschriebenen Weise eingespritzt.

Bei einer in Fig. 1 dargestellten Zweitakt-Brennkraftmaschine enthält die Brennkammer 6 während des Expansionstaktes eine große Menge unverbrannter oder unvollständig verbrannter Anteile im verbrannten Gas. Selbst wenn die Abgasöffnung 21 geöffnet wird und dann anschließend die Spülschlitze 26 geöffnet werden,

bleibt ein Restgas hoher Temperatur mit einem hohen Anteil unverbrannter oder unvollständig verbrannter Anteile darin in der Brennkammer 6 zurück und auf diese Weise findet eine Oxidationsreaktion der unverbrannten und unvollständig verbrannten Anteil kontinuierlich statt. Bei einer konventionellen Zweitakt-Maschine ergibt sich aber bei öffnung der Abgasöffnung und der Spülschlitze eine heftige Strömung der Restgase in der Brennkammer und die Oxidationsreaktion der unverbrannten oder unvollständig verbrannten Anteile im Restgas wird unterbrochen. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Richtung der Spülschlitze 26 so gewählt, daß Luft, die aus ihnen ausströmt, das Restgas in der Brennkammer so wenig wie möglich stört. Da weiterhin der Öffnungsquerschnitt der öffnungen 29 des Spülsteuerventils 28 klein ist, wenn die Maschine unter geringer Last betrieben wird, dann wird die in den Oberleitkanälen 27 strömende Luft gedrosselt und die Luftströmung, die in die Brennkammer 6 eintritt, weist eine geringe Geschwindigkeit auf, so daß sie das Restgas in der Brennkammer so wenig wie möglich stört. Weil außerdem in diesem Falle der Öffnungsquerschnitt am Abgassteuerventil klein ist, kann der pulsierende Druck des Abgases nicht mit dem Restgas in der Brennkammer 6 in Wirkungsverbindung gelangen. Wenn die erfindungsgemäße Maschine daher unter leichter Last betrieben wird, dann setzt sich die Oxidationsreaktion der unverbrannten und unvollständig verbrannten Anteile ohne Unterbrechung fort, weil das Restgas in der Brennkammer 6 nicht gestört wird. Die Oxidationsreaktion wird dann während des Verdichtungstaktes beschleunigt und führt zu einer Selbstzündung am Ende des Verdichtungstaktes. Diese Selbstzündung bewirkt dann eine Zündung des von der Einspritzdüse 12 während des Verdichtungstaktes in die Brennkammer eingespritzten Kraftstoffs.

Die Fig.. 5 bis 7 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind jene Bauteile, die schon in den Fig. 1 bis 4 dargestellt sind, mit gleichen

Bezugszeichen versehen. Wie Fig. 6 zeigt, ist der Innenraura des Kurbelgehäuses 1 mit der Ansaugleitung 17 über ein Rückschlagventil 40 verbunden. Wenn sich der Kolben 4 nach oben bewegt, dann wird Umgebungsluft in den Innenraum des Kurbelgehäuses 1 über die Ansaugleitung 17 am Rückschlagventil 40 vorbei eingesaugt. Außerdem ist bei dieser Ausführungsform ein weiterer Spülschlitz 41 vorgesehen, der abwechselnd von dem Kolben 4 geöffnet und verschlossen wird. Dieser Spülschlitz ist in der Innenwand der Zylinderbohrung 5 zusätzlich zu den zwei schon beschriebenen Spülschlitzen 26 ausgebildet. Der Spülschlitz 41 ist mittels eines Überleitkanals 42, der im Zylinderblock 2 ausgebildet ist, mit einem weggeschnittenen Abschnitt 43 im Kurbelgehäuse 1 an einer Stelle verbunden, die um den Schürzenbereich 2a des Zylinderblocks 2 gelegen ist. Wie die Fig. 5 bis 7 zeigen, sind zusätzlich zu dem weggeschnittenen Bereich 43 drei weitere weggeschnittene Bereiche 44, 45 und 46 im Kurbelgehäuse 1 um den Schürzenbereich 2a des Zylinderblocks 2 herum ausgebildet. Die Spülschlitze 26 sind mit den weggebrochenen Bereichen 44 und 45 über die entsprechenden Überleitkanäle 47 im Zylinderblock 2 verbunden. Beide weggeschnittenen Bereiche 44 und 45 sind stets mit dem weggeschnittenen Bereich 46 über entsprechende Rillen 48 und 49 im Kurbelgehäuse 1 verbunden. Außerdem ist der weggeschnittene Bereich 46 mit einer Lufteinlaßöffnung 50 verbunden, die in der Bodenwand des Innenraumes des Kurbelgehäuses 1 ausgebildet ist, und zwar über einen Überleitkanal 51 von relativ großer Länge und relativ kleinem Querschnitt. Bei dieser Ausführungsform erlaubt ein Rückschlagventil eine Luftströmung in den weggeschnittenen Bereich 46 von der Lufteinlaßöffnung 50. Dieses Ventil kann im Kanal 51 angeordnet sein.

Die Fig. 5 und 7 zeigen weiter, daß drei Lufteinlaßöffnungen 52, 53 und 54, die für die weggeschnittenen Bereiche 43, 44 und 45 vorgesehen sind, in dem Schürzenbereich 2a ausgebildet

sind. Ein ringförmiges Spülsteuerventil 55 ist drehbar um den Schürzenbereich 2a angeordnet. Dieses Spülsteuerventil 55 weist drei öffnungen 56, 5 7 und 5 8 auf, die mit den Lufteinlaßöffnungen 52, 53 und 54 in Deckung gebracht werden können. Zusätzlich weist das Spülsteuerventil 55 einen einstückig daran ausgebildeten Anschlag 59 auf, der in dem weggeschnittenen Bereich 46 gelegen ist. Das Spülsteuerventil 55 ist über einen Drahtzug 60 mit dem schon erwähnten Gasgriff oder Gaspedal verbunden.

Wenn die Maschine unter geringer Last betrieben wird, dann sind alle öffnungen 52, 53 und 54 von dem Spülsteuerventil 55 verschlossen. Wenn daher der Kolben 4 die Spülschlitze 26 und 41 öffnet, dann wird Luft unter Druck aus dem Kurbelgehäuse 1 in die weggeschnittenen Bereiche 44 und 45 über die Lufteinlaßöffnung 50, den Überleitkanal 51, den weggeschnittenen Bereich 46 und die Rillen 48 und 49 geleitet und dann über den Überleitkanal 4 7 in die Brennkammer 6. Es fließt also Luft nur aus den Spülschlitzen 26 in die Brennkammer 6. Da der Überleitkanal eine relativ große Länge aufweist und einen relativ kleinen Querschnitt, unterliegt die in ihm fließende Luft einem hohen Strömungswiderstand und wird dadurch erheblich gebremst. Die in die Brennkammer 6 eintretende Luft weist daher eine geringe Geschwindigkeit auf. Als Folge davon kann die Oxidationsreaktion der unverbrannten und unvollständig verbrannten Anteile ohne Unterbrechung fortgeführt werden und am Ende des Verdichtungstaktes eine Selbstzündung hervorgerufen werden. Wenn andererseits die Maschine unter großer Belastung betrieben wird, dann wird das Spülsteuerventil 55 in eine Stellung gedreht, wie sie in Fig. 7b dargestellt ist, so daß die öffnungen 56, 57 und 58 des Spülsteuerventils 55 in Deckung mit den Lufteinlaßöffnungen 52, 53 und 54 sind. Luft unter Druck kann nun aus dem Kurbelgehäuse 1 direkt in die weggeschnittenen Bereiche 43, 44 und 45 durch die sich deckenden öffnungen fließen und ergießt sich aus allen Spülschlitzen 26 und 41 über die ent-

sprechenden Überleitkanäle 42 und 47 in die Brennkammer 6. In diesem Falle wird der in die Brennkammer eingespritzte Kraftstoff von der Zündkerze 11 gezündet.

Fig. 8 zeigt den Einspritzzeitpunkt der Einspritzdüse 12 bei der ersten und zweiten Ausführungsform. In Fig. 8 ist auf der Abszis.se die Maschinenbelastung in Prozent aufgetragen, während auf der Ordinate der Kurbelivinkel in Grad aufgetragen ist. Wenn die Kraftstoffeinspritzung in der Zone A beginnt, dann wird der in Abgasleitung 2 entweichende Kraftstoffanteil vergrößert. Da in diesem Falle ein Teil des von der Einspritzdüse 12 eingespritzten Kraftstoffs zusammen mit der Spülluft aus den Spülschlitzen 26 und 41 in die Abgasleitung 22 entweicht, ist die Betriebsweise dieser Maschine vergleichbar der einer konventionellen, mit vorgemischter Ladung arbeitenden Zweitakt-Maschine, bei welcher das vorgemischte Luft-Kraftstoff-Gemisch aus den Spülschlitzen in die Brennkammer geleitet wird. Die Bereiche B, C und D in Fig. 8 können bei einer Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden. Bei Bereich B breitet sich der von der Einspritzdüse 12 eingespritzte Kraftstoff jedoch sehr exzessiv aus und .wird sehr gründlich mit dem Restgas gemischt und im Bereich D wird der zerstäubte Kraftstoff sehr intensiv geschichtet, wenn die Zündung und Verbrennung durchgeführt werden. Im Gegensatz dazu findet im Bereich C eine zufriedenstellende Diffusion und Schichtung des zerstäubten Kraftstoffs statt und daher ist der genannte Bereich C für die Erfindung optimal. Obgleich andererseits der Einspritzzeitpunkt, der vom Bereich E in Fig. 8 angegeben wird, ebenfalls eine Verbrennung hervorrufen kann, ergibt sich doch keine zufriedenstellende Ausbreitung und Mischung des zerstäubten Kraftstoffs, vielmehr entsteht Ruß. Fig. 8 zeigt nur die allgemeine Tendenz für die Zeitlage der Kraftstoffeinspritzung und daher verändern sich die Bereiche A bis E entsprechend mit Änderungen in Gestaltungsfaktoren und in Betriebsfaktoren der Maschine, beispielsweise mit der Richtung der Spülschlitze, der Stärke einer Quetschströmung und einer Wirbelbewegung, der Eindringtiefe des mittels der Einspritzdüse

eingespritzten KraftstoffStrahles, dem Sprühwinkel, den Kraftstoffeigenschaften usw.

Fig. 9 zeigt ein Indikatordiagramm, das man mit Hilfe des erfindungsgemäßen Zünd-Verbrennungsverfahrens erhält. In Fig. 9a ist ein Indikatorprogramm eines einzelnen Arbeitszyklus gezeigt, während Fig. 9b ein kammförmiges Indikatorprogramm vieler Arbeitszyklen zeigt. Weiterhin zeigt Fig. 10 ein Indikatordiagramm, das man mit einer konventionellen fremdgezündeten Zweitakt-Einspritz-Maschine unter geringer Belastung erhält. In Fig. 10a ist ein Indikatordiagramm dargestellt, das in der Weise aufgenommen worden ist, daß die Änderungen im Druck in zwei Zyklen übereinandergeschrieben sind, und Fig. 10b zeigt ein Indikatordiagramm vieler Zyklen. In den Fig. 9 und ist auf der Ordinate der Druck P und auf der Abszisse der Kurbelwinkel θ aufgetragen. Aus den Fig. 9 und 10 geht hervor, daß die Verbrennung nach der vorliegenden Erfindung völlig verschieden von der einer üblichen Zweitakt-Maschine in bezug auf die Hitzeentwicklung und die Stabilität der Verbrennung jedes Zyklus ist. Beim Zünd-Brennverfahren nach der vorliegenden Erfindung entwickelt sich die Hitze hauptsächlich bei einem Kurbelwinkel nahe dem oberen Todpunkt und die Veränderung im Druck dP/d9 ist klein und der Maximaldruck P in jedem Zyklus ist an-

max ^{J J}

nähernd gleich.

Die Fig. 11 bis 13 zeigen die Ergebnisse von Versuchen, die mit Hilfe einer 370 cm -Maschine nach den Fig. 1 bis 4 durchgeführt worden sind. Die Fig. 14 bis 16 zeigen das Ergebnis von Versuchen, die mit einer 370 cm -Maschine nach den Fig. 5 bis durchgeführt worden sind. In den Fig. 11 bis 16 ist auf der

2 Ordinate P der mittlere wirksame Druck in kg/cm aufgetragen und auf der Abszisse N ist die Drehzahl in U/min aufgetragen. In den Fig. 11 und 14 geben die Kurven den spezifischen Kraftstoffverbrauch in g/PS · h an. Außerdem ist in den Fig. 11 und 14 mit WOT eine Vollastkurve aufgetragen. Aus der Vollastkurve WOT erkennt man, daß ein hohes Drehmoment über einen großen Drehzahlbereich .der Maschine erzielbar ist.

Aus den Fig. 11 und 14 erkennt man auch, daß aufgrund der Tatsache, daß ein Entweichen von Kraftstoff in die Abgasleitung 22 verhindert ist und die Verbrennung eines mageren Gemischs, das durch Schichtung gesteuert ist, durchgeführt werden kann» ein günstiger spezifischer Kraftstoffverbrauch über den gesamten Betriebsbereich der Maschine erzielt werden kann.

In den Fig. 12 und 15 stellen die Kurven die Konzentration von Kohlenmonoxid in Prozent dar. Aus den Fig. 12 und 15 erkannt man, daß bei der vorliegenden Erfindung aufgrund der Verbrennung eines mageren Gemischs die Konzentration von Kohlenmonoxid im Abgas beachtlich verringert ist.

In den Fig. 13 und 16 zeigen die Kurven die Konzentration von Kohlenwasserstoffen in PPM. Aus den Fig. 13 und 16 erkennt man, daß bei der vorliegenden Erfindung aufgrund der Tatsache, daß ein Entweichen von Kraftstoff in die Abgasleitung 22 verhindert ist und ein mageres Gemisch verbrannt wird, die Konzentration von Kohlenwasserstoffen im Abgas beachtlich verringert ist.

Aus den Fig. 11 bis 16 lassen sich die Ergebnisse von Versuchen entnehmen, bei denen der Kraftstoff im Bereich C von Fig. 8 zugeführt worden ist. Es besteht daher keine Möglichkeit, daß Kohlenstoff in das Abgas abgegeben wird. Da weiterhin ein großer Anteil von Restgasen in der Brennkammer 6 zurückbleibt, ist die Konzentration von NO extrem gering aufgrund der An-Wesenheit von Restgas, das die gleiche Funktion wie ein rezirkuliertes Abgas hat.

Die Ergebnisse der Versuche, die in den Fig. 11 bis 16 dargestellt sind, wurden unter Verwendung von Benzin als Treibstoff erzielt. Es wurde jedoch auch nachgewiesen, daß der spezifische Kraftstoffverbrauch, die Konzentration von CO und die Konzentration von HC nach den Fig. 11 bis 16 auch erzielbar waren, wenn man als Kraftstoff Korosin, Leichtöl, Propan oder Alkohol verwendete.

Es wurde weiterhin bewiesen, daß sich eine stabile Verbrennung und ein ruhiger Betrieb der Maschine unabhängig von der Oktanzahl und der !Cetanzahl ergab. Oberflüssig zu sagen, daß die Erfindung auch an einer Viertakt-Maschine und an einer Drehkolbenmaschine realisierbar ist.

Claims

PATENTANWÄLTE

8OOO MÜNCHEN 22 · WIDEN M AYERSTRAS S E 40 1OOO BERLIN-DAHLEM 33 · PODEtIELSKIALLEE 08

NIPPON CLEAN ENGINE BERLIN: DIPL.-ΙΝβ. R. MUjLLeR-BORNER

RESEARCH INSTITUTE CO., LTD. _{MÜNCHEN; D1PL}.._ING._HAN8U_1NmcHWEY

Ishikawa-ken (Japan) dipl.-inq. ekkeHard körner

31 709 ι Ansprüche ϊ

Zünd-Brennverfahren einer Brennkraftmaschine mit einer Brennkammer, einer in die Brennkammer mündenden Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, einem Lufteinlaß zum Zuführen frischer Luft in die Brennkammer und einem Abgas aus laß zum Abführen des Abgases aus der Brennkammer, gekennzeichnet durch folgende Schritte: \

Auslassen des Abgases aus der Brennkammer durch den Abgasauslaß bei Zurückhaltung einer großen Menge von Restgasen, die unverbrannte und unvollständig verbrannte Anteile und Sauerstoff enthalten, in der Brennkammer; \

behutsames Einleiten von frischer Luft in die Brennkammer durch den Lufteinlaß bei Unterdrückung einer Störung des Restgases zur Fortsetzung der Oxidationsreaktion der unverbrannten und unvollständig verbrannten Anteile;=

Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkammer mittels der Einspritzvorrichtung zur Bildung eines brennbaren, aus Kraftstoff und Frischluft bestehenden Gemisches, und

MÜNCHEN: TELEFON (Ο8β) 230880 BERLIN: TELEFON (O 3O) 8 31 3O

KABEL: PROPINDUS · TELEX: 024244 KAB EL: P ROP I NDUS · TELEX: 1 84Ο67

Verdichten der Restgase und des Brenngasgemisches in der Brennkammer zur Beschleunigung der Oxidationsreaktion und zur Hervorbringung einer Selbstzündung des Restgases mit anschließender Zündung des Brenngasgemisches durch das brennende Restgas.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas behutsam aus der Brennkammer durch den Abgas aus laß ausgelassen wird zur Unterdrückung einer Störung des Restgases in der Brennkammer.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine ein wirksames Verdichtungsverhältnis von weniger als 12:1 aufweist und daß die Einspritzung des Kraftstoffes begonnen wird, bevor ein Kurbelwinkel von 50° vor OT erreicht ist.
4. Zünd-Brennverfahren einer Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einer Brennkammer, einer in diese mündenden Kraftstoff-Einspritzvorrichtung, einem Spülschlitz, der sich in die Brennkammer öffnet, einem aus der Brennkammer herausführenden Abgasauslaß, einem Kurbelgehäuse mit einer Innenkammer darin und einem Überleitungskanal, der den Spülschlitz mit der Innenkammer verbindet, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Zuführen frischer Luft in die Innenkammer des Kurbelgehäuses;

Verdichten der frischen Luft in der Innenkammer des Kurbelgehäuses und Auslassen des Abgases aus der Brennkammer durch den Abgas aus laß unter Zurückhalten einer großen Menge von unverbrannten und unvollständig verbrannten Anteilen sowie Sauerstoff enthaltenden Restgases in der Brennkammer;

Einleitung der in der Innenkammer befindlichen frischen Luft in den Oberleitungskanal;

Drosseln der Strömungsgeschwindigkeit der frischen Luft im Oberleitungskanal im Teillastbetrieb der Maschine;

behutsames Einleiten der frischen Luft durch den Spülschlitz in die Brennkammer bei Unterdrückung einer Störung des Restgases zur Fortsetzung der Oxidationsreaktion der .unverbrannten und unvollständig verbrannten Restgasanteile;

Einspritzen von Kraftstoff mittels der Einspritzeinrichtung in die Brennkammer zur Bildung eines brennbaren, aus Kraftstoff und frischer Luft bestehenden Brenngasgemisches, und

Verdichten des Restgases und des Brenngasgemisches in der Brennkammer zur Beschleunigung der Oxidationsreaktion und zur Hervorbringung einer Selbstzündung des Restgases und anschließender Zündung des Brenngasgemisches durch das brennende Restgas in der Brennkammer.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des durch den Abgasauslaß aus der Brennkammer ausgeleiteten Abgases gedrosselt ist, um eine Störung des in der Brennkammer zurückgehaltenen Restgases zu vermeiden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die frische Luft in der Innenkammer des Kurbelgehäuses in den Oberleitungskanal am Boden der Innenkammer eingeleitet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die frische Luft in dem Oberleitungskanal eine erste Distanz

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mit einer ersten Geschwindigkeit und dann eine zweite kürzere Distanz mit einer zweiten, geringeren Geschwindigkeit strömt.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ein wirksames Verdichtungsverhältnis von weniger als 12:1 aufweist und daß die Einspritzung des Kraftstoffs bei einem Kurbelwinkel beginnt, der ungefähr 50° vor OT liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzung beginnt nachdem der Spülschlitz geöffnet wird.
10. Zweitakt-Brennkraftmaschine enthaltend

ein Kurbelgehäuse (1) mit einer Innenkammer darin;

einen Zylinderblock (2), der an dem Kurbelgehäuse (1) befestigt ist und eine Zylinderbohrung (5) aufweist;

einen in der Zylinderbohrung (5) hin- und herbeweglichen Kolben (4), der mit der Zylinderbohrung (5) eine Brennkammer (6) begrenzt;

eine Kraftstoff-Einspritzdüse (12) in der Brennkammer (6);

einen Überleitungskanal (27) mit einem Spülschlitz (26) am einen Ende und einer Lufteinlaßöffnung am anderen Ende, wobei der Spülschlitz (26) und die Lufteinlaßöffnung sich zur Brennkammer (6) bzw. zur Innenkammer des Kurbelgehäuses (1) öffnen, um frische Luft aus der Innenkammer in die Brennkammer (6) zu leiten;

einen Abgaskanal (22) mit einem Auslaßschlitz (21) bei der Brennkammer (6), um das Abgas aus der Brennkammer (6) abzuführen, und

einer Drosseleinrichtung (28) im Überleitungskanäl (29), die die Strömungsgeschwindigkeit der in ihm strönjenden frischen Luft im Teillastbetrieb der Maschine beschränkt.
11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekenn-

f zeichnet, daß sie eine weitere (zweite) Drosseleimrichtung (23) zur Beschränkung der aus der Brennkammer (6) ausgeleiteten Abgasströmung im Teillastbetrieb der Maschine aufweist. ' Ί -
12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Drosseleinrichtung ein Abgassteuerjventil (23) ist, das sich im Abgaskanal (22) befindet, j
13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drosseleinrichtung ein Spülsteuerventil (28) ist, das sich im Überleitungskanal (27) befindet.;
14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Spülsteuerventil eine ringförmige Platte j(28) mit einer öffnung (29) darin ist, die sich in Deckung mit dem Oberleitungskanal (27) bringen läßt. \
15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Querschnitt der öffnung (29) in deri.Platte (28) mit der Maschinenbelastung vergrößerbar ist. ]

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16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Öberleitungskanal einen Hauptkanal (27), ;der den Spülschlitz (26) mit der Frischlüfteinlaßöffnung "(58) ver-

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bindet, und einen vom Hauptkanal abzweigenden Hilfskanal (51) umfaßt, der mit der Innenkammer des Kurbelgehäuses (1) verbunden ist, und daß die erste Drosseleinrichtung ein Spülsteuerventil (55) zum wahlweisen Zuführen von Frischluft in die Brennkammer (6) entweder von der Lufteinlaßöffnung (53, 54) oder von dem Hilfskanal (51) ist.
17. Brennkraftmschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskanal (51) länger ist als der Hauptkanal (27) und einen gringeren Querschnitt als der Hauptkanal (27) aufweist.
18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskanal (51) mit dem Boden der Innenkammer des Kurbelgehäuses (1) verbunden ist.
19. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Spülste.uerventil (55) in der Lufteinlaßöffnung (53, 54) des Hauptkanals (27) angeordnet ist.
20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Spülsteuerventil ein ringförmiges Bauteil (55) mit einer öffnung (57, 58) darin ist, die mit der Lufteinlaßöffnung (53, 54) des Hauptkanals in Deckung bringbar ist.
21. Brennkraftmaschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Lufteinlaßöffnung (53, 54) des Hauptkanals (27) im Teillastbetrieb der Maschine von dem ringförmigen Bauteil (55) geschlossen ist.
22. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen weiteren (zweiten) Übe.rleitungskanal (43) aufweist, der von dem Spülsteuerventil (55) im Teillastbetrieb verschlossen ist.
23. Brennlcraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Hilfskanal ein Rückschlagventil angeordnet ist, das eine Luftströmung nur in Richtung zur Brennkammer (6) erlaubt.
24. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) einen annähernd flachen Boden hat.
25. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein wirksames Verdichtungsverhältnis von weniger als 12:1 aufweist und daß die Einspritzdüse Kraftstoff beginnt zuzuführen, bevor der Kurbelwinkel 50° vor OT erreicht hat.
26. Brennkraftmaschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzung beginnt, nachdem der Spülschlitz (26) sich öffnet.