DE3808672A1 - Verbrennungsmaschine - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Viertakt-Verbrennungs
maschine, bei der Brennstoff in das Luftzuführungs
system stromaufwärts des Eintritts der Luft in
den bzw. die Zylinder der Maschine injiziert wird.
Bei der Kontrolle der unerwünschten Komponenten
der Verbrennungsmaschinen-Abgase ist bekannt,
daß die Steuerung der Lage des Brennstoffs in der
Verbrennungskammer von wesentlicher Bedeutung ist.
Insbesondere dann, wenn die Maschine bei niedrigen
und mittleren Lasten ihres Gesamtlastbereiches
arbeitet, ist es wünschenswert, eine relativ
fette, leicht entzündbare Mischung von Brennstoff
und Luft in unmittelbarer Nähe des Zündpunktes
innerhalb der Verbrennungskammer zu erzeugen,
selbst wenn das Brennstoff/Luft-Verhältnis der
Gesamtcharge relativ mager ist. Um diese wünschens
werte Bedingung in der Nähe des Zündpunktes zu
erhalten, ist es notwendig, das Ausmaß der Ausbreitung
von Brennstoff in vom Zündpunkt entferntere
Bereiche der Verbrennungskammer möglichst zu
begrenzen.
Bei hohen Maschinenlasten ist die in die Ver
brennungskammer gelieferte Brennstoffmenge
ausreichend groß, daß selbst eine homogene
Mischung von Brennstoff und Luft leicht entzündbar
ist. Demgemäß ist es bei hohen Lasten unnötig,
eine Steuerung der Brennstoffverteilung in der
Verbrennungskammer derart vorzunehmen, daß der
Brennstoff in der Nähe des Zündpunktes konzentriert
wird. Dies ist vielmehr unerwünscht, da es bei
hohen Lasten erforderlich wird, für eine voll
ständige Verbrennung des Brennstoffs und die
volle Maschinenausgangsleistung den gesamten
Sauerstoff in der Verbrennungskammer auszunutzen.
Um die geforderte Brennstoffverteilung für niedrige
und mittlere Maschinenlasten zu erreichen, wurde
vorgeschlagen, in der Charge innerhalb der Ver
brennungskammer eine geschichtete Brennstoff
verteilung zu schaffen, wobei sich der Hauptteil
des Brennstoffs benachbart des Zylinderkopfes be
findet, wo die Zündvorrichtung angeordnet ist.
Diese geschichtete Brennstoffverteilung, allge
mein als Axialschichtung bezeichnet, wird normaler
weise dadurch geschaffen, daß die eintretende
Charge auf einem im wesentlichen wendelförmigen
Weg um die Zylinderachse bewegt wird, wodurch eine
axiale Mischung des früher eintretenden Teils der
Charge mit dem später eintretenden Teil unter
bunden wird. Weiterhin ist es üblich, zu versuchen,
die Einführung des Brennstoffs in die Luft so zu
steuern, daß der Hauptteil des Brennstoffs innerhalb
des Zuführungszyklus spät in den Zylinder eintritt.
Bei einer Maschine mit Einspritzeinspritzung ist
es wünschenswert, daß der Zeitpunkt der Ein
spritzung verzögert wird, um den Brennstoff in
dem später zugeführten Teil der Charge zu
konzentrieren und die für die Mischung des Brenn
stoffs mit der Charge im Zylinder verfügbare Zeit
vor der Zündung zu verringern.
Die Wirkung der Steuerung der Brennstoffverteilung
während des Niedrig- und Mittellast-Betriebs besteht
darin, den Brennstoffverbrauch infolge des höheren
Verhältnisses der spezifischen Wärmen der strömenden
Arbeitsmedien herabzusetzen und Pumpverluste zu
reduzieren, indem eine große Luftcharge in den
Zylinder gezogen werden kann, ohne daß damit eine
Verdünnung des Brennstoff/Luft-Gemisches am Zünd
punkt verbunden ist. Zusätzlich verringert die
größere Luftcharge die Spitzentemperatur in der
Verbrennungskammer mit der Folge niedriger Abgas
emissionen insbesondere von NO x .
Das Problem der Steuerung der Brennstoffverteilung
im Zylinder ist bei einer Einspritzung über eine
Rohrleitung ausgeprägter als bei einer Maschine
mit direkter Einspritzung, zum Teil wegen des
größeren Zeitintervalles zwischen dem Beginn der
Brennstoffeinspritzung und dem Schließen der
Einlaßöffnung, was ein tieferes Eindringen des
Brennstoffes in den Zylinder und damit eine Vermi
schung mit mehr Luft zur Folge hat. Auch kann bei
einer Einspritzung über eine Rohrleitung die Luft
charge erheblichen Turbulenzen in der Rohrleitung
ausgesetzt sein, wodurch sich eine Verteilung des
Brennstoffes in der Luft vor dem Eintritt in den
Maschinenzylinder ergibt. Diese Probleme werden
verstärkt durch dei Größe der gegenwärtig erhält
lichen kommerziellen Brennstoffeinspritzeinheiten,
welche bewirkt, daß die Einspritzvorrichtung
in einem beträchtlichen Abstand von der tatsächlichen
Eintrittsstelle der Mischung in den Zylinder
angeordnet ist und damit der Weg des Brennstoffs
länger und der Einspritzzeitpunkt vorverlegt werden,
so daß mehr Zeit für das Vermischen von Brennstoff
und Luft in der Rohrleitung zur Verfügung steht.
Der Wunsch zur Erzeugung einer Schichtung der
Brennstoffcharge im Zylinder einer Viertaktmaschine
mit Einspritzung über eine Rohrleitung bei niedri
gen bis mittleren Lastzuständen ist daher ausge
prägt und es wurden erhebliche Anstrengungen
unternommen, um Zuführungssysteme für Viertakt
maschinen zu entwerfen, die eine Axialschichtung
erzielen und trotzdem fähig sind, unter Hochlast
bedingungen eine im wesentlichen homogene Brennstoff/
Luft-Mischung zu liefern. Unterschiedliche Erfolge
wurden mit der Axialschichtung des Brennstoffs
erhalten, derart, daß bei den erfolgreicheren
Maschinen/Luft/Brennstoff-Gesamtverhältnisse
in der Größe von 20 bis 25:1 im Niedrig- bis
Mittellast-Betrieb erreicht wurden. Trotzdem wird
bei den bekannten Maschinenkonstruktionen mit
Axialschichtung davon ausgegangen, daß die Luft/
Brennstoff-Gesamtverhältnisse verbessert werden
könnten, wenn eine günstigere Steuerung der
Brennstoffverteilung im Zylinder erzielt werden
könnte. Jedoch führt ein weiterer Anstieg des
Luft/Brennstoff-Verhältnisses ohne eine effektivere
Steuerung der Brennstoffverteilung zu nachteiligen
Wirkungen hinsichtlich der Fehlzündungsgrenze und
der Stabilität des Maschinenbetriebs. Beide
Faktoren bestimmen die Maschinenfunktion und
sind daher sehr problematisch.
Die Mehrzahl der gegenwärtigen Vorschläge betreffen
die Teilung des Zuführungsdurchganges, so daß
dessen effektiver Querschnitt bei Niedrig- bis
Mittellastbedingungen herabgesetzt wird, und
die Ausbildung des Bereiches mit reduziertem
Querschnitt in im allgemeinen wendelförmiger
Gestalt um die Achse der Einlaßöffnung. Diese
Beschränkung der Fläche des Durchganges und
dessen wendelförmige Gestalt fördern die Ent
wicklung einer kreisförmigen oder wirbelnden Be
wegung der eintretenden Luft, wenn sie durch die
Einlaßöffnung tritt, und diese Bewegung wird von
der Luft nach ihrem Eintritt in den Maschinen
zylinder aufrechterhalten.
Bei manchen Vorschlägen erstreckt sich die die
Teilung bewirkende Wand vom Dach des Zuführungs
durchganges über einen Teil von dessen Tiefe
nach unten, während sich bei anderen Vorschlägen
die Wand über die gesamte Tiefe des Durchganges
erstreckt, um ihn wirksam in zwei kleinere Durch
gangsabschnitte zu teilen, von denen nur einer
eine wendelförmige Gestalt hat. Ein Drehventil
ist üblicherweise vorgesehen, um entweder eine
vollständige oder teilweise Trennung des Zu
führungsdurchganges zu ermöglichen, so daß der
Luftstrom wahlweise von einem Abschnitt des Zu
führungsdurchganges abgelenkt werden kann, derart,
daß im wesentlichen die gesamte eintretende Luft
den wendelförmigen Abschnitt des Zuführungs
durchganges passiert. Das Drehventilelement wird
normalerweise derart elektronisch gesteuert,
daß es die Strömung unter Niedrig- bis Mittel
lastbedingungen einschränkt, wodurch die Luft
strömung durch den wendelförmigen Abschnitt ver
stärkt wird, und daß es unter Hochlastbedingungen
geöffnet wird, um eine uneingeschränkte Luft
strömung zuzulassen. Die uneingeschränkte Luft
strömung reduziert die Intensität der Wirbelung,
und die Luftströmung in den Zylinder durch den
nicht wendelförmigen Abschnitt beeinträchtigt
eine bereits im Zylinder ausgebildete Wirbelung
mit dem Ergebnis einer nahezu homogenen Luft/
Brennstoff-Mischung.
Typische Beispiele der vorstehend erläuterten
Formen von Zuführungsdurchgängen bei Viertakt
maschinen befinden sich in den AU-PSen 4 33 872
und 4 52 150.
In einer Weiterentwicklung wurde vorgeschlagen,
den Zuführungsdurchgang für eine erhebliche
Strecke stromaufwärts der Einlaßöffnung zu teilen,
so daß tatsächlich zwei konzentrische Öffnungen
geschaffen werden, von denen die eine mit einem
wendelförmigen äußeren Durchgang und die andere
mit einem inneren, im wesentlichen zylindrischen
Durchgang verbunden sind. Bei dieser Konstruktion
tritt der Luftstrom bei Niedriglastbedingungen
durch den äußeren wendelförmigen Durchgang und
bei Hochlastbedingungen durch beide Durchgänge
oder wahlweise nur durch den inneren zylindrischen
Durchgang in den Zylinder ein. Obgleich hierbei
eine verbesserte Schichtung unter Niedriglast
bedingungen erhalten werden kann, sind doch die
Ausbildung des Zuführungssystems und die konzen
trischen Einlaßöffnungen und Ventile relativ
kompliziert. Typische Beispiele dieser Einlaß
öffnungen finden sich in den AU-PSen 5 12 639
und 5 11 290.
Eine weitere Konstruktion wird in der US-PS 46 69 434
beschrieben, bei der eine "siamesische" Anordnung
von Einlaßöffnungen vorgesehen ist, die von einem
einzelnen Zuführungsdurchgang gespeist werden.
Jede der Öffnungen arbeitet gleichzeitig
bei allen Lasten, jedoch ist der zu einer der
Öffnungen führende Durchgang so ausgebildet, daß
die eintretende Charge eine wendelförmige oder
Wirbelbewegung erfährt, während der zur anderen
Öffnung führende Durchgang im wesentlichen gerade
ausgeführt ist, so daß keine Wirbelung auftritt.
Unter Leichtlastbedingungen wird ein Drehventil
stromaufwärts der Einlaßöffnungen so betätigt,
daß es im wesentlichen den geraden Durchgang
schließt, wodurch praktisch die gesamte eintretende
Luft den die Wirbelbewegung erzeugenden Durchgang
durchströmt. Abgesehen von den hohen Herstellungs
kosten dieser "siamesischen" Öffnungskonfiguration
treten hier die gleichen Probleme des geteilten
Durchganges auf wie bei den vorstehend diskutierten
Anordnungen.
Bei allen zuvor erläuterten Konstruktionen von
Einlaßdurchgangs- und -öffnungsanordnungen bestand
die Aufgabe darin, der Luft eine wendelförmige
Bewegung bei ihrem Eintritt in den Zylinder zu
erteilen, so daß sich diese Bewegung in der Luft
charge des Zylinders fortsetzt, und den Brennstoff
so in die eintretende Luftcharge einzuführen, daß
er in einer axialen Schichtung im Maschinenzylinder
auftritt. Jedoch führt die resultierende Wirbel
bewegung der Brennstoff/Luft-Mischung im
Zylinder auch zu einem Nachteil bei der Erzeugung
der erforderlichen Schichtung des Brennstoffs
und einer fetten Mischung in der Nähe der Zünd
vorrichtung der Maschine. Obgleich die Wirbel
bewegung der Luft innerhalb des Maschinenzylinders
bei der Förderung der Axialschichtung mitwirkt,
unterwirft sie den Brennstoff auch Zentrifugal
kräften, durch die er nach außen gegen die Zylinder
wände geschleudert wird, wodurch die in der Mitte
des Wirbels und damit in der Zylindermitte be
findliche Brennstoffmenge verringert wird. Es
ist festzustellen, daß die Wirkung der Zentrifugal
kraft zunimmt, wenn die Zeitspanne, in der der
Brennstoff der Wirbelbewegung ausgesetzt ist,
größer wird. Bei einer Einspritzmaschine mit
Drosselkörper, bei der der Brennstoff in einem
erheblichen Abstand stromaufwärts von der Einlaß
öffnung in das Zuführungssystem geliefert wird,
muß er diesem früh innerhalb des Zuführungs
taktes zugegeben werden, so daß ausreichend Zeit
ist, daß der gesamte Brennstoff nach unten durch
den Zuführungsdurchgang und in die Maschinen
zylinder gelangen kann, bevor das Einlaßventil
bwz. die Einlaßventile schließen. Es ist daher
festzustellen, daß der Brennstoff unter diesen
Umständen eine beträchtliche Zeit im Zylinder
verbleiben und infolge der zentrifugalen Wirkungen
einer wesentlichen Wanderungsbewegung zur Zylinder
wand hin unterliegen würde. Auch die Länge des
Brennstoffweges innerhalb des Zuführungsdurchganges
und die Aufenthaltszeit des Brennstoffs in diesem
Durchgang tragen zu einer Vermischung und Aus
breitung des Brennstoffes in der eintretenden
Luftcharge bei und beeinträchtigen hierdurch
weiterhin die Ausbildung eines hohen Grades
der Axialschichtung, d.h. der Konzentration
des Brennstoffes in der Nähe des Zylinder
kopfes.
Die obigen Probleme der Einspritzmaschinen mit
Drosselkörper werden etwas gemildert durch eine
individuelle Einspritzung in die jeweiligen
Zuführungsdurchgänge jedes Zylinders. Wo jedoch
der Zuführungsdurchgang durch eine durchgehende
oder teilweise Wand geteilt ist, oder wo eine
"siamesische" Öffnungskonfiguration verwendet
wird, wird der Brennstoff normalerweise in
einem Abstand stromaufwärts des Beginns der
Aufteilung des Luftstroms auf die beiden Durch
gänge in die Zuführungsrohrleitung injiziert.
Diese Begrenzung der Lage der Brennstoffein
spritzstelle im Zuführungsdurchgang ergibt sich
sowohl aus Leistungserwägungen als auch aus
dem Umstand, daß die Größe der gegenwärtig
benutzten Brennstoffeinspritzvorrichtungen so
ist, daß einfach zu wenig Raum in der unmittel
baren Nähe der Einlaßöffnungen und -ventile
vorhanden ist, um der relativ sperrigen Einspritz
vorrichtung zu genügen. Da diese auch Brennstoff
sowohl unter Hochlast- als auch unter Niedrig
lastbedingungen liefern muß, muß sie in aus
reichendem Abstand stromaufwärts von der Trenn
wand im Zuführungsdurchgang angeordnet sein,
damit unter Hochlastbedingungen der Brennstoff
der durch beide alternativen Wege zum Zylinder
strömenden Luft zugeführt wird, so daß eine im
wesentlichen homogene Brennstoffverteilung in der
Luft für die maximale Leistung unter Hochlast
erhalten werden kann. Typische Anordnungen der
Brennstoffeinspritzvorrichtung bei bekannten
Maschinen mit Schichtausbildung sind gezeigt in
Fig. 3 der US-PS 46 69 434, Fig. 3 der AU-PS 5 13 710,
Fig. 9 der AU-PS 5 11 290 und Fig. 1 der AU-PS 5 12 639.
Es ist insbesondere darauf hinzuweisen, daß in Fig. 9
der AU-PS 5 11 290 zwei Brennstoffeinspritzein
heiten vorgesehen sind, nämlich jeweils eine in
jedem der Luftzuführungsdurchgänge, um die
erforderliche Brennstoffverteilung sowohl während
der Hochlast- als auch während der Niedriglast
bedingungen zu erhalten.
Alle vorerwähnten bekannten Vorschläge zur Erzielung
einer axialen Schichtung des Brennstoffes im Zylinder
unter Niedrig- bis Mittellastbedingungen zeigen
Eigenschaften, die dem Ziel eines hohen Grades
einer axialen Schichtung und der Bildung einer
ausreichend fetten Mischung in der Nähe der Zünd
vorrichtung für eine wirksame Zündbarkeit der
Mischung und Flammenausbreitung abträglich sind.
Diese schädlichen Eigenschaften bestehen ersten
darin, daß der Einspritzzeitpunkt so sein muß, daß
die Einspritzung früh im Zuführungszyklus beginnt,
was zur Folge hat, daß der Brennstoff relativ
weit in der eintretenden Luftcharge verteilt wird
und damit tiefer als erwünscht in die Verbrennungs
kammer gelangt. Zweitens befindet sich, ebenfalls
wegen der frühen Einspritzung, der Brennstoff
während einer größeren Zeitspanne im Maschinen
zylinder und daher ergibt sich aufgrund der auf
tretenden Zentrifugalkräfte eine relativ starke
Wanderung des Brennstoffs zur Zylinderwand hin.
Angesichts dieser Umstände ist es erforderlich,
daß das Luft/Brennstoff-Gesamtverhältnis der
Mischung in der Verbrennungskammer so gewählt
wird, daß es das tiefe Eindringen und die
Auswärtsbewegung des Brennstoffs im Zylinder
kompensiert, um sicherzustellen, daß das Luft/
Brennstoff-Verhältnis des Teils der Charge im
Zündbereich ausreichend ist, um die erforderliche
Zündbarkeit und Flammenausbreitung zu erhalten.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine verbesserte Konfiguration für die Zuführung
und Brennstoffeinspritzung bei einer Viertakt
verbrennungsmaschine anzugeben, die die Zurück
haltung eines größeren Teils des Brennstoffes
in der Nähe des Zündpunktes durch einen höheren
Schichtungsgrad der Charge im Zylinder sowohl
in axialer als auch in radialer Richtung zur
Folge hat. Die axiale Schichtung des Brennstoffes
soll besser kontrollierbar und damit eine bessere
Brennstoffausnutzung im Niedrig- und Mittellast
bereich erzielbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ange
gebenen Merkmale. Bevorzugte Weiterbildungen der
erfindungsgemäßen Verbrennungsmaschine ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht aus von einer funkengezündeten
Viertakt-Verbrennungsmaschine mit einem an einem
Ende durch einen Zylinderkopf geschlossenen Zy
linder, einem im Zylinder hin- und herbewegbaren
Kolben, der eine Verbrennungskammer mit veränder
barem Volumen definiert, einer im Zylinderkopf
befestigten Zündvorrichtung zur Schaffung eines
Zündpunktes in der Verbrennungskammer, einer
mit dem Zylinder verbundenen ventilgesteuerten
Einlaßöffnung im Zylinderkopf und einem
mit der Einlaßöffnung verbundenen Luftzuführungs
durchgang, durch den die Luft hindurchströmt,
um durch die Einlaßöffnung in den Zylinder ein
zutreten. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß
der Zuführungsdurchgang einen Wandabschnitt auf
weist, der sich über wenigstens einen Teil des
Umfangs der Einlaßöffnung erstreckt und so geformt
ist, daß wenigstens ein Teil der entlang dieses
Wandabschnitts strömenden Luft bei geöffneter
Einlaßöffnung auf einen im allgemeinen wendel
förmigen Pfad um die Achse der Einlaßöffnung
gelenkt ist, daß der Wandabschnitt so angeordnet
und geformt ist, daß bei geöffneter Einlaßöffnung
die entlang des Wandabschnitts in den Zylinder
strömende Luft so gelenkt ist, daß im Zylinder
eine im allgemeinen wendelförmige Luftströmung
um die Zylinderachse in Abwärtsrichtung gebildet
ist, daß eine Brennstoffeinspritzdüse vorgesehen
ist zur Zuführung von Brennstoff in den Zuführungs
durchgang auf der dem Wandabschnitt gegenüber
liegenden Seite der Einlaßöffnungsachse auf
einer durch die geöffnete Einlaßöffnung führenden
Bahn und in die wendelförmige Luftströmung zur
Bildung einer zündfähigen Brennstoffwolke am
Zündpunkt.
Vorzugsweise wird der Luftstrom im Zuführungs
durchgang so gelenkt, daß er unmittelbar strom
aufwärts der Einlaßöffnung wendelförmig oder
wirbelartig bewegt wird. Der Brennstoff wird
zweckmäßig so aus der Düse in den Luftstrom im
Zuführungsdurchgang eingeführt, daß seine
Richtung entgegengesetzt zur wendelförmigen
Luftströmung ist und nach außen quer zum
Luftstrom geneigt sein kann. Die Richtung der
Brennstoffeinspritzung kann gegenüber der Wirbel
ebene zur Einlaßöffnung geneigt sein.
Die Brennstoffeinspritzdüse befindet sich bevor
zugt stromaufwärts der Einlaßöffnung in einem
Abstand von nicht mehr als 35 mm und vorteilhaft
zwischen 15 und 30 mm, wobei dieser Abstand in
einer Richtung gemessen wird, die senkrecht zur
diametralen Ebene der Einlaßöffnung in der Fläche
des Zylinderkopfes verläuft.
Der Zeitpunkt der Brennstoffzuführung in bezug
auf das Schließen der Einlaßöffnung ist so
gewählt, daß hierdurch zur Konzentration des
Brennstoffs am Kopfende der Verbrennungskammer
beigetragen wird.
Der an der Einlaßöffnung erzeugte wendelförmige
Luftstrom wird nach dem Eintritt der Luft in
die Verbrennungskammer durch die Einlaßöffnung
aufrechterhalten und reduziert das Ausmaß der
Vermischung von Brennstoff und Luft in axialer
Richtung des Zylinders. Wenn somit der Brennstoff
spät innerhalb der Öffnungsperiode der Einlaß
öffnung injiziert wird, ist weniger Zeit für
das tiefe Eindringen des Brennstoffes in die
Verbrennungskammer verfügbar. Da der Brennstoff
auch unmittelbar stromaufwärts der Einlaßöffnung
injiziert wird, benötigt er nur eine kurze Zeit,
um in die Verbrennungskammer einzutreten. Dem
gemäß kann die Einspritzung des Brennstoffs später
bewirkt werden als bei der Einspritzung in den
Zuführungsdurchgang mit einem größeren Abstand
von der Einlaßöffnung. Weiterhin reduzieren
die Lage der Einspritzdüse und die Möglichkeit,
den Zeitpunkt der Einspritzung spät in die
Öffnungsperiode der Einlaßöffnung zu legen, sowohl
unabhängig und zusammenwirkend den Einfluß der
Zentrifugalkraft auf den Brennstoff, die ihn
nach außen nach außen zur Zylinderwand hin
bewegen und dadurch das Luft/Brennstoff-Gemisch
an der Zündstellen verdünnen würde.
In einer bevorzugten Ausbildung besitzt der Zu
führungsdurchgang eine longitudinal verlaufende
Trennwand, die sich aus der unmittelbaren Nähe
der Einlaßöffnung stromaufwärts erstreckt und
so zwei Luftstrompfade innerhalb des Zuführungs
durchganges bildet. Bei Niedrig- bis Mittellast
bedingungen ist einer dieser Pfade geschlossen,
wodurch der Strömungsquerschnitt um etwa 50%
reduziert wird. Daraus ergibt sich ein Anstieg
der Luftgeschwindigkeit und die Luft wird zu
einer Seite des Zuführungsdurchganges gelenkt,
so daß die Entstehung einer wendelförmigen
Strömung bei Eintritt der Luft in die Verbrennungs
kammer durch die Einlaßöffnung gefördert wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in
den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die angegebenen Richtungen ba
sieren auf der Annahme, daß die Maschine mit in ver
tikaler Richtung verlaufender Zylinderachse und
oben liegendem Zylinderkopf angeordnet ist.
Dies ist jedoch nur beispielhaft und die Maschine
kann bei in jeder Richtung verlaufender Zylinder
achse betrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
Zylinderkopfes und eines Zuführungs
durchganges einer Viertaktmaschine
mit angedeuteter Luftströmung,
Fig. 2 eine Darstellung entsprechend Fig. 1
mit angedeuteter Brennstoffströmung,
und
Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang
der Linie 3-3 in Fig. 2.
Fig. 1 gibt schematisch einen Teil einer Einzylinder-
Viertakt-Maschine wieder mit einem Zylinderkopf 12,
der den oberen Teil einer Verbrennungskammer 13
bildet. Eine Einlaßöffnung 15 und eine Auslaß
öffnung 16 sind im Zylinderkopf 12 vorgesehen,
die zusammenwirkende Tellerventile (nicht gezeigt
in Fig. 1 und 2) für ein wahlweises Öffnen und
Schließen dieser Öffnungen in herkömmlicher Weise
besitzen. Die Einlaß- und Auslaßöffnung 15 bzw. 16
haben eine gemeinsame Mittellinie 17, und eine
Zündkerze 18 ist versetzt gegenüber dieser Mittel
linie 17 angeordnet. Die Zündkerze 18 ist etwa
in gleichen Abständen von den Mitten der Einlaß
und Auslaßöffnung und auf der den Öffnungen gegen
überliegenden Seite der Zylinderachse angeordnet.
Die Einlaßöffnung 15 ist mit einem Luftzuführungs
durchgang 20 verbunden. Dieser hat einen im
wesentlichen von der Einlaßöffnung 15 für eine
kurze Strecke axial nach oben gerichteten
Abschnitt 19 und einen sich zur rechten Seite
des Zylinderkopfes in einer im wesentlichen
abgerundeten Kurve erstreckenden Abschnitt 21
(Fig. 3). Der Schaft 22 des Ventils 23 der
Einlaßöffnung 15 erstreckt sich koaxial durch
den Abschnitt 19 des Zuführungsdurchganges
und ist gleitend in einer Buchse 24 im Zylinder
kopf gelagert. Eine Trennwand 25 ragt von der
oberen Innenfläche 26 des Zuführungsdurchganges
20 in den Abschnitt 19 und erstreckt sich entlang
des Abschnitts 21 zum offenen Ende des
zuführungsdurchganges hin. Wie Fig. 3 zeigt,
ragt die Trennwand 25 von der Innenfläche 26
etwa die halbe Höhe des Abschnitts 21 herab
und teilt diesen in zwei kleinere Durchgänge
27 und 28, die jeweils an einer Seite des
Ventilschafts 22 vorbeiführen.
Durch den Zylinderkopf und durch den Durchgang
28 hindurch ragt ein Steuerventil 30 nach
unten, das um eine halbe Drehung zwischen einer
ersten Stellung, die einen minimalen Widerstand
für die hindurchströmende Luft bietet, und einer
zweiten Stellung, bei der der Durchgang 28 ge
schlossen ist, gedreht werden kann. Der Durch
gang 27 geht in eine den Ventilschaft 22 umgreifen
de Bogenform über, so daß die diesen Durchgang
27 hinabströmende Luft bei geöffneter Einlaß
öffnung bei Eintritt in den koaxialen Abschnitt
19 des Zuführungsdurchganges eine Drehbewegung
um den Ventilschaft 22 erfährt, d.h. eine wendel
förmige oder Wirbelbewegung.
Es ist festzustellen, daß ein Luftstrom nur dann im
Zuführungsdurchgang 20 auftritt, während das
Ventil 23 im geöffneten Zustand ist, und somit
hat die durch die Einlaßöffnung 15 in die
Verbrennungskammer 13 strömende Luft eine
wirbelnde oder wendelförmige Bewegung. Es ist
weiter festzustellen, daß, wenn das Steuerventil
30 in der zweiten, den Durchlaß der Luft im
Durchgang 28 unterbindenen, in den Fig. 1 und 2
gezeigten Stellung ist, der größere Teil der in
die Verbrennungskammer strömenden Luft durch
den Durchgang 27 fließt, und demgemäß wird die
Luftgeschwindigkeit gegenüber der Konfiguration
erhöht, bei der der gleiche Zuführungsdurchgang
ohne die Trennwand 25 und das Steuerventil 30
ausgebildet ist. Diese Geschwindigkeitszunahme
der Luft erhöht auch die Intensität der Wirbel
bewegung der Luft im Bereich unmittelbar strom
aufwärts der Einlaßöffnung 15. Die Wirbelbewegung
der Luft in diesem Bereich wird, wie durch die
Pfeile 11 in Fig. 1 angedeutet ist, im wesent
lichen bei ihrem Eintritt in die Verbrennungs
kammer 13 aufrechterhälten, wie bei 10 in Fig. 1
dargestellt ist.
Die Düse 31 dient der Zuführung einer dosierten
Menge Brennstoffs zum Zuführungsdurchgang und
sie ist derart angeordnet, daß der Brennstoff
stromabwärts der Stelle, an der das Steuerventil
30 den Zuführungsdurchgang durchquert, in diesen
eintritt. Die Düse 31 ist weiterhin so angeordnet,
daß der Brennstoff in den Abschnitt 19 des Zu
führungsdurchganges geliefert wird, in dem die
Luft sich in wirbelnder oder wendelförmiger
Bewegung befindet. Die Düse 31 ist ferner auch
so angeordnet, daß der aus ihr austretende Brennstoff
so gerichtet ist, daß er den Spalt zwischen dem
äußeren Umfang des geöffneten Ventils 23 und
dem inneren Umfang der Einlaßöffnung 15 ohne
eine wesentliche Störung durch das Ventil oder
die Einlaßöffnung passiert. Daher erfolgt keine
wesentliche Benetzung des Ventils und der Einlaß
öffnung mit Brennstoff. Eine Benetzung dieser
Teile setzt den Grad der Brennstoffzerstäubung
und damit die Zündbarkeit und die Gesamtver
brennbarkeit der Brennstoff/Luft-Mischung in der
Verbrennungskammer herab.
Die Düse 31 ist schließlich auch so angeordnet,
daß sie quer zur Richtung der Wirbelbewegung der
Luft im Abschnitt 19 gerichtet ist, und vorzugs
weise ist sie nach rückwärts gegen die Richtung
der Wirbelbewegung geneigt. Dies hat zur Folge,
daß der Brennstoff im allgemeinen auf einem
gekrümmten oder bogenförmigen Pfad durch die Öffnung
und die Verbrennungskammer zur Zündkerze 18 be
wegt wird, wie bei 9 in Fig. 2 gezeigt ist.
Die Einlaßöffnung 15 und die Auslaßöffnung 16
öffnen sich in einen Hohlraum 35 im Zylinderkopf,
in dem sichauch die Zündkerze 18 befindet. Wie
aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, bildet
die Umfangswand 36 des Hohlraums eine Hülle um
einen Teil des geöffneten Ventils 23. Die Hülle
hat einen im wesentlichen bogenförmigen Abschnitt
37, der die Fortdauer der wirbelenden und wendel
förmigen Bewegung der Luftcharge beim Eintritt
in den Zylinder unterstützt. Die Form der Hülle
bei 38 um die Zündkerze 18 herum dient auch zum
Zurückhalten der Brennstoffwolke, die aus dem
von der Düse 31 in die Luftcharge beim Austritt
in den Zylinder gelieferten Brennstoff gebildet
ist, in einer um die Zündkerze ausgeformten
Tasche.
Wie bereits erwähnt wurde, ist es bekannt, daß
die Steuerung der Lage und der Verteilung des
Brennstoffes in der Luftcharge bei niedrigen
Maschinenlasten besonders notwendig ist, da die
injizierte Brennstoffmenge relativ gering ist.
Demgemäß ist im vorbeschriebenen Ausführungs
beispiel das Steuerventil 30 so angeordnet, daß
es den Durchgang 28 wirksam verschließt, wenn
die Maschine bei niedrigen und möglicherweise
auch bei mittleren Lasten arbeitet, und zu
allen anderen Zeiten geöffnet ist. Das Steuer
ventil 30 kann aixal bewegbar sein zwischen
seinen jeweiligen Stellungen zum Öffnen und
Schließen des Durchganges 28 oder es besitzt
in gezeigter Weise einen geeigneten Querschnitt
zur Bewegung zwischen der Öffnung- und der
Schließstellung durch Drehen um sein Längsachse.
Bei der vorbeschriebenen Ausbildung wird der
Brennstoff an einer extrem nahe an der Einlaß
öffnung 15 liegenden Stelle in den Zuführungs
durchgang geliefert, um eine Vermischung des
Brennstoffs mit der Luft innerhalb des Zu
führungsdurchganges so gering wie möglich zu halten.
Weiterhin wird der Brennstoff mittels der Düse
31 durch den Spalt zwischen der Kante der Einlaß
öffnung 15 und dem Ventil 23 in die Verbrennungs
kammer und zu der Zündkerze gelenkt. Diese Merk
male verringern das zur Verteilung des Brennstoffs
in der Luftcharge vor der Zündung verfügbare
Zeitintervall, und das Vorhandensein körperlicher
Elemente in der Brennstofföffnung fördert die
Brennstoffverteilung. Insbesondere verringert
die obige Konstruktion die zentrifugale
Trennung des Brennstoffs in der Verbrennungs
kammer, die in anderen Maschinen mit einer
wirbelnden Bewegung der Brennstoff/Luft-
Charge in der Verbrennungskammer auftritt.
Die Dosierung des Brennstoffs kann durch jede
geeignete bekannte Vorrichtung erfolgen, und
ist vorzugsweise von der Art, bei der die
dosierte Menge Brennstoffs in einem Gas wie
Luft mitgenommen wird, das es zu der und durch
die Düse 31 transportiert. Typische Dosier
vorrichtungen sind in den US-PSen 44 62 760
und 45 54 945 sowie in der US-Anmeldung
Ser.No. 8 66 425 offenbart.
Claims (12)
1. Funkengezündete Viertakt-Verbrennungsmaschine
mit einem an einem Ende durch einen Zylinder
kopf geschlossenen Zylinder, einem im
Zylinder hin- und herbewegbaren Kolben, der
eine Verbrennungskammer mit veränderbarem
Volumen definiert, einer im Zylinderkopf
befestigten Zündvorrichtung zur Schaffung
eines Zündpunktes in der Verbrennungskammer,
einer mit dem Zylinder verbundenen, ventil
gesteuerten Einlaßöffnung im Zylinderkopf,
und einem mit der Einlaßöffnung verbundenen
Luftzuführungsdurchgang, durch den die Luft
hindurchströmt, um durch die Einlaßöffnung
in den Zylinder einzutreten,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zuführungsdurchgang (20) einen Wand
abschnitt (19) aufweist, der sich über
wenigstens einen Teil des Umfangs der Einlaß-
Öffnung (15) erstreckt und so geformt ist,
daß wenigstens ein Teil der entlang dieses
Wandabschnittes (19) strömenden Luft bei
geöffneter Einlaßöffnung (15) auf einen im
allgemeinen wendelförmigen Pfad um die Achse
der Einlaßöffnung (15) gelenkt ist, daß der
Wandabschnitt (19) so angeordnet und ge
formt ist, daß bei geöffneter Einlaßöffnung
(15) die entlang des Wandabschnittes (19)
in den Zylinder strömende Luft so gelenkt ist,
daß im Zylinder eine im allgemeinen wendel
förmige Luftströmung um die Zylinderachse
in Abwärtsrichtung gebildet ist, daß eine
Brennstoffeinspritzdüse (31) vorgesehen ist
zur Zuführung von Brennstoff in den Zuführungs
durchgang (20) auf der dem Wandabschnitt (19)
gegenüberliegenden Seite der Einlaßöffnungs
achse auf einer durch die geöffnete Einlaß
öffnung (15) führenden Bahn und in die
wendelförmige Luftströmung zur Bildung
einer zündfähigen Brennstoffwolke am Zündpunkt.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Düse (31) so angeordnet ist,
daß sie Brennstoff an einer Stelle in den
Zuführungsdurchgang (20) liefert, die strom
aufwärts von der Ebene der Einlaßöffnung (15)
in einem Abstand von nicht mehr als 35 mm,
gemessen in einer zur Ebene der Einlaßöffnung
(15) senkrechten Richtung, liegt.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zuführungsdurchgang
(20) eine Trennwand (25) enthält, die sich
von der Nähe der Einlaßöffnung (15) aus
stromaufwärts erstreckt und zwischen dem
Wandabschnitt (19) und der Brennstoffein
spritzdüse (31) hindurchgeht, und die den
Zuführungsdurchgang (20) in zwei Abschnitte
(27, 28) unterteilt, wobei der eine (27)
dieser Abschnitte auf gegenüberliegenden
Seiten durch den Wandabschnitt (19) und die
Trennwand (25) definiert ist und eine im
allgemeinen wendelförmige Kontur besitzt,
und die Brennstoffeinspritzdüse (31) in dem
anderen (28) dieser Abschnitte angeordnet ist.
4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich die Trennwand über die
ganze Höhe des Zuführungsdurchganges erstreckt.
5. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß in dem Zuführungsdurchgang (20)
stromaufwärts der Brennstoffeinspritz
düse (31) ein Ventil (30) vorgesehen ist,
das wahlweise betätigbar ist zur Begrenzung
des Luftstroms durch den anderen (28) der
Abschnitte bei geöffneter Einlaßöffnung (15).
6. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß in dem Zuführungsdurchgang (20)
stromaufwärts der Brennstoffeinspritz
düse (31) ein Ventil (30) vorgesehen ist,
das wahlweise betätigbar ist zur Schließung
des anderen Abschnittes (28) für den Luftstrom
bei geöffneter Einlaßöffnung (15).
7. Maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß eine von der Maschinenlast
abhängige Vorrichtung zur Betätigung des
Ventils (30) vorgesehen ist, um einen Luft
strom durch den zweiten Abschnitt (28) zu
ermöglichen, wenn die Maschinenlast einen
bestimmten Wert übersteigt.
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung
zur Steuerung des Einspritzzeitpunktes
innerhalb des Maschinenzyklus vorgesehen ist,
die von der Maschinenlast abhängig ist, um
das Einspritzen während der zweiten Hälfte der
Öffnungsperiode der Einlaßöffnung (15) zu
bewirken.
9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine ventilge
steuerte Auslaßöffnung (16) im Zylinderkopf
(12) vorgesehen ist, daß die Einlaß- und
Auslaßöffnung (15,16) im Abstand von der
Zylinderachse auf einer Seite des Zylinders
angeordnet sind, und daß die Brennstoff
einspritzdüse (31) im Abstand von der Einlaß
öffnungsachse in Richtung zur Auslaßöffnung
(16) hin vorgesehen ist.
10. Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich der Zündpunkt im Abstand
von der Zylinderachse entgegengesetzt zur
Einlaß- und Auslaßöffnung (15, 16) befindet.
11. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführungs
durchgang (20) unmittelbar stromaufwärts
der Einlaßöffnung (15) so geformt ist, daß
der Luftstrom von dem Wandabschnitt (19)
darin ein anfängliche wendelförmige Luft
strömung erzeugt, die durch die geöffnete
Einlaßöffnung (15) in den Zylinder gelangt,
um in diesem die wendelförmige Luftströmung
auszubilden.
12. Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Brennstoffeinspritzdüse (31)
so angeordnet ist, daß der Weg des von ihr
gelieferten Brennstoffs nach außen zur Peripherie
der Einlaßöffnung (15) und rückwärts in bezug
auf die anfängliche wendelförmige Luftströmung
im Einlaßdurchgang verläuft.
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