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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur pneumatischen
Injektion von Kraftstoff in einen Zylinder eines Hubkolbenmotors mit
innerer Verbrennung.
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In Zweitaktmotoren mit zwei oder mehreren Zylindern und hohem
Leistungsvermögen versucht man, in unabhängiger Weise eine
Spülung des oder der Zylinder durch "nichtvergaste" Frischluft und
eine Einführung flüssigen Kraftstoffs in zerstäubter Form in den
oder die Zylinder zu erreichen, wobei diese beiden Vorgänge in
aufeinanderfolgenden und genau bestimmten Augenblicken des
Arbeitszyklus des Motors vorgenommen werden.
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Das Einführen von Kraftstoff in zerstäubter Form in den Zylinder
kann durch eine pneumatische Injektionsvorrichtung realisiert
werden, die einen Injektor umfaßt, der in den Zylinder mündet
und mit einem Ventil versehen ist, das durch eine Nocke für
dessen öffnen und Schließen gesteuert ist, wobei ein
Speisemittel des Injektors mit flüssigem Kraftstoff und eine
Druckluftquelle für die Zerstäubung und Injektion des Kraftstoffs im
Augenblick des Öffnens des Injektors sorgen.
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Das Spülen des Zylinders mit Frischluft wird durchgeführt dank
eines Pumpengehäuses, das mit dem Zylinder in seinem unteren
Teil in Verbindung steht, derart, daß der sich im Zylinder
verschiebende oder bewegende Kolben eine Kompression der Luft des
Gehäuses erzeugt, indem er sich gegen seinen unteren Totpunkt
verschiebt. Leitungen, die die Gehäusepumpe mit Einlaßschlitzen
des Zylinders verbinden, sorgen für die Überführung der
komprimierten Luft zum Zylinder, wobei diese komprimierte Luft in den
Zylinder eindringt, dessen Spülung sie vornimmt, wenn die
Einlaßschlitze durch den Kolben während seiner Verschiebung gegen
seinen unteren Totpunkt freigelegt werden.
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Man hat vorgeschlagen, die pneumatische Injektion des
Kraftstoffs vorzunehmen, indem man die komprimierte Luft aus der
Gehäusepumpe bzw. dem Pumpgehäuse verwendet, um die Zerstäubung
und Injektion des Kraftstoffs durchzuführen. Hierzu kann die
Gehäusepumpe mit dem Injektor über eine Leitung verbunden werden,
auf der ein Klappenventil angeordnet ist. Der Teil der Leitung
hinter der Ventilklappe kann selbst einen Raum für komprimierte
Luft bilden oder kann mit einem solchen Raum verbunden sein. Bei
dem öffnen des Injektors wird eine gewisse komprimierte
Luftmenge verwendet, um den Kraftstoff zu pulverisieren und ihn in den
Zylinder einzuspritzen. Das Nachladen des Raums mit Druckluft
wird realisiert, wenn der Druck benachbart seinem Maximum in dem
Pumpgehäuse durch Öffnen des Ventils ist.
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Eine solche Vorrichtung, die es ermöglicht, die Verwendung einer
verbundenen Druckgasquelle zu vermeiden, erfordert jedoch, daß
eine Verbindungsleitung zwischen der Gehäusepumpe und dem
Injektor und ggfs. ein Raum in Verbindung mit dieser Leitung
vorgesehen ist.
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Im Fall der Einspritzmotoren mit mehreren Zylindern hat man
vorgeschlagen, die heißen Gase unter Druck zu verwenden, die in
einem Zylinder entnommen wurden, um die Zerstäubung des
Kraftstoffs in einem anderen Zylinder des Motors zu realisieren. Die
Einspritzung wird in Höhe des Einlaßventils des Zylinders
vorgenommen, über das die "vergaste" Luft angesaugt wird, die zum
Füllen des Zylinders bestimmt ist. Der Effekt der entnommenen
heißen Gase ist darauf begrenzt, die Zerstäubung und ggfs. die
Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs sicherzustellen, dessen
Einführung in den Zylinder im Augenblick des Öffnens des
Einlaßventiles durch Mischen mit der zugeführten Luft und
Einsaugung sichergestellt ist.
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In diesem Fall gibt es im Gegensatz zum Fall der Zweitaktmotoren
und dergleichen ein Einführen von frischer Spülluft in den
Zylinder unabhängig vom Einführen des Kraftstoffs und dieses
Einführen von Kraftstoff wird nicht unter Druck und einen
pneumatischen Injektor vorgenommen, der unabhängig von der
Lufteinführvorrichtung in den Zylinder ist.
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Im Falle der pneumatischen Injektion hat man immer bisher eine
Hilfsdruckluftquelle oder eine Verbindungsleitung zwischen der
Gehäusepumpe und dem Zylinder und ggfs. einen Speicherraum für
komprimierte Luft verwendet.
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Es ist im übrigen aus der CH-A-270 337 bekannt, in einer im
Zylinderkopf angeordneten Vorkammer Gase unter Druck zu
entnehmen, die aus der Verbrennungskammer stammen, und zwar über
wenigstens eines der Einlaßventile. Die Entnahme findet während
der Kompression statt.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung
der pneumatischen Injektion von Kraftstoff in einen Zylinder
eines Motors, indem man in diesem Zylinder entnommene Gase
verwendet, gemäß dem Anspruch 1.
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Andere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2
bis 5.
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Um die Erfindung verständlich zu machen, soll nun als ein nicht
beschränkendes Beispiel mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
beschrieben werden, und zwar durch Verwirklichung des Verfahrens
nach der Erfindung, gemäß mehreren Varianten und unter
Verwendung der Injektionsvorrichtungen gemäß mehrerer
Ausführungsformen.
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Fig. 1 ist eine Teildarstellung in der Ansicht und im Schnitt
durch einen Zylinder eines Motors, der die pneumatische
Injektionsvorrichtung
gemäß einer Ausführungsform umfaßt, die die
Verwirklichung der Erfindung gestattet.
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Fig. 2 ist eine Darstellung analog Fig. 1 und zeigt den Zylinder
des Motors in einem Augenblick unterschiedlich zum
Arbeitszyklus.
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Fig. 3 ist ein Diagramm der Arbeitsweise des Motors, dessen
Zylinder in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.
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Fig. 4 ist eine schematische Darstellung im Schnitt und in der
Ansicht eines Zylinders eines Motors, der eine
Injektionsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform umfaßt, zur
Durchführung der Maßnahme nach der Erfindung.
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In den Fig. 1 und 2 ist der obere Teil eines Zylinders 30 eines
Zweitaktmotors dargestellt, der eine Injektionsvorrichtung 31 in
seinem unteren Teil umfaßt.
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Der pneumatische Injektor 32, der in den oberen Teil des
Zylinders 30 mündet, umfaßt ein Ventil 33, das über eine Nocke 34
gesteuert ist, ein Mittel zum Speisen mit flüssigem Kraftstoff
(nicht dargestellt) sowie eine Einrichtung 35, die dem
pneumatischen Injektor 32 ein Gas unter Druck zuliefert, das die
Zerstäubung und Injektion des flüssigen Kraftstoffs ermöglicht.
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Die Vorrichtung 35 umfaßt eine Leitung 36, die an einem ihrer
Enden mit der Kammer des Zylinders 30 über einen Schlitz 37 in
Verbindung steht, der oberhalb der Auslaß- und
Überführungsschlitze des Zylinders - nicht dargestellt - und an seinem
anderen Ende mit der Kammer des pneumatischen Injektors 32 im oberen
Teil des Zylinders verbunden ist. Ein Klappenventil bzw. eine
Ventilklappe 38 ist auf der Leitung 36 angeordnet und begrenzt
auf dieser Leitung einen anströmseitigen Teil, der mit dem
Zylinder 30 in Verbindung steht, sowie einen mit dem Injektor 32
in Verbindung stehenden abströmseitigen Teil. Die Ventilklappe
38 öffnet sich, wenn der Differenzdruck zwischen der
Anströmseite und der Abströmseite in einer Leitung 36 einen gewissen Wert
entsprechend der Taraeinstellung des Klappenventils 38
überschreitet.
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Der abströmseitige Teil der Leitung 36 ist in der Lage, durch
sich selbst einen Raum für Gas unter Druck in Verbindung mit der
Kammer des Ventils 32 zu bilden. Dieser abströmseitige Teil der
Leitung 36 kann ebenfalls in Verbindung mit einem Raum gesetzt
werden, der das Speichern des Gases unter Druck ermöglicht.
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Es wird nun Bezug genommen auf die Anordnung der Fig. 1, 2
und 3, um die Arbeitsweise der Injektionsvorrichtung nach einer
Ausführungsform zu beschreiben.
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In Fig. 1 verschiebt sich der Kolben 30a nach oben im Inneren
des Zylinders 30 und sorgt für die Kompression eines vergasten
Gemisches, das sich im oberen Teil des Zylinders befindet. Der
Kolben 30a verlegt oder maskiert den Schlitz 37 und das Ventil
38, das sehr unterschiedlichen anströmseitigen und
abströmseitigen Drücken ausgesetzt ist, verbleibt geschlossen.
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In Fig. 3 hat man in Form einer schraffierten Oberfläche den
Arbeitszyklus des Motors in einem Druckdiagramm der im Zylinder
enthaltenen Gase als Funktion des von diesen Gasen eingenommenen
Volumens dargestellt. Der Arbeitspunkt des Motors beschreibt die
Kurve 40, die den Zyklus in seinem unteren Teil begrenzt, wenn
der Kolben sich nach oben verschiebt, und die obere Kurve 41 des
Zyklus, wenn der Kolben 30 sich nach unten verschiebt.
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Am Ende der Kompression, wenn der Kolben 30a seinen oberen
Totpunkt erreicht, ist das Volumen V minimal. Das Zünden, gefolgt
von der Verbrennung, stellt sich während der Kompression ein.
Der Druck im Zylinder erreicht kurz nachher sein Maximum und der
Kolben verschiebt sich nach unten.
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Wenn der obere Teil des Kolbens 30a auf die Höhe des Schlitzes
37 (Fig. 2) kommt, hat das Volumen der Gase in dem Zylinder
einen Wert VO und der Druck dieser Gase einen Wert P2. Der
Arbeitspunkt des Motors entspricht dem Punkt A der Fig. 3. Das
Ventil 38 hebt sich und die in der Kammer des Zylinders 30
enthaltenen Gase füllen die Leitung 35 insgesamt, die ggfs. einen
Speicherraum für Gase unter Druck hinter dem Ventil 38 aufweist.
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Wie nämlich weiter unten gezeigt werden wird, ist der untere
Teil der Leitung 35 beim Öffnen der Schlitze 37 auf einem Druck,
der unterhalb P2 liegt.
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Der Kolben 30a bewegt sich weiter nach unten und legt die
Auslaßschlitze frei. Der Druck in der Kammer des Zylinders nimmt
während der Auslaßphasen und der Spülung durch Frischluft ab.
Das Ventil 38 schließt sich sehr schnell wieder, sobald der
Druck unterhalb P2 liegt. Das Schließen des Ventils 38 sorgt
also für den Aufbau einer Gasreserve bei einem Druck, der im
wesentlichen gleich P2 ist.
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Nach Durchgang durch den unteren Totpunkt geht der Kolben 30a im
Zylinder nach oben; der Arbeitspunkt in Fig. 3 beschreibt die
Kurve 40.
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Vor Beginn der Kompression steuert die Nocke 34 das öffnen des
Ventils 33 des Injektors 32 (Betriebspunkt I). Flüssiger
Kraftstoff wird zerstäubt und in den oberen Teil des Zylinders 30
über das Druckgas P2 eingespritzt, das in der Leitung 35 und/oder
dem Speicherraum hinter dem Ventil 38 zurückgehalten wird.
Der pneumatische Injektor kann so ausgelegt sein, daß er
ziemlich schnell schließt, was bei der Konzeption oder der
Verwirklichung des Motors nach dem Gesetz der Nocke 34 bestimmt wird.
Der abstromseitige Druck des Ventils 38 stellt sich auf einen
Wert unterhalb P2 ein.
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Das vergaste im Zylinder enthaltene Gemisch wird dann durch den
Kolben 30a komprimiert. Der obere Teil des Kolbens 30a maskiert
die Öffnung 37 zu Beginn der Kompression (Punkt B in Fig. 3).
Das Restvolumen im Zylinder ist VO und der Druck der Gase ist
P1.
Der Druck P1, wie auf dem Diagramm der Fig. 3 ersichtlich,
ist beachtlich niedriger als der Druck P2. Der Druck in der
Leitung 35 vor dem Ventil 38 stellt sich somit auf den Wert
P1 < P2 ein. Diese Position des Kolbens 30a ist in der Fig. 1
dargestellt.
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Die Bedingungen der Injektion sind derart, daß der Druck hinter
dem Ventil 38 sich auf einen Wert P3 zwischen P2 und P1
eingestellt hat.
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Wenn aber die Leitung 36 während der Injektion sich ausreichend
geleert hat, um einen Druck unterhalb P1 zu erreichen, dann
öffnet in diesem Fall das Ventil 38 während der Kompression und
ermöglicht es der Leitung 36 einen Druck nahe P1 in dem
Augenblick zu erreichen, wo beim Hochgehen des Kolbens der Schlitz 37
maskiert wird. Anschließend läuft alles in identischer Weise in
den beiden Fällen ab.
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So bleibt das Ventil 38 also bis zu dem Augenblick geschlossen,
wo der Arbeitspunkt nach A (Konfiguration der Fig. 2)
zurückkehrt. Der Kolben 30a legt den Schlitz 37 frei, wenn auch der
anströmseitige Teil der Leitung 35 unter den Druck P2 > P3
gebracht ist. Das Ventil 38 öffnet sich und der abströmseitige
Teil der Leitung 35, der den Speicherraum für Injektionsgase
bildet, lädt sich erneut mit verbrannten Gasen beim Druck P2.
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsvariante der in der in den Figuren
l und 2 dargestellten Injektionsvorrichtung gezeigt. Die
entsprechenden Elemente in den Fig. 1 und 2 einerseits und 4
andererseits, tragen die gleichen Bezugszeichen mit
nachfolgendem Strich "'", was die in Fig. 4 dargestellten Elemente der
Vorrichtung angeht.
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Die Injektionsvorrichtung 32' umfaßt eine Leitung 36' analog der
Leitung 36 der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Leitung, die
an einem ihrer Enden über einen Schlitz 37' mit der Kammer
innerhalb des Zylinders 30' und an ihrem anderen Ende mit der
Kammer
des Injektors in Verbindung steht, der vermittels des
Ventils 33' mit dem oberen Teil des Zylinders 30' in Verbindung
steht. Ein Ventil 38' ist auf der Leitung 36' zwischengeschaltet
und trennt diese Leitung 36' in einen anströmseitigen Teil, der
mit dem Schlitz 37' des Zylinders 30' in Verbindung steht und
einen abströmseitigen Teil, der mit dem pneumatischen Injektor
in Verbindung steht.
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Vor dem Ventil 38' ist die Leitung 36' vermittels einer Leitung
50 und eines Ventils 51 mit einer Frischluftquelle verbunden,
die durch atmosphärische Luft gebildet sein kann, das
Klappenventil bzw. die Ventilklappe 51 hat ihren Eintritt zur freien
Luft hin.
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Während der Auslaßphase der Gase und des Spülens des Zylinders
30' des Zweitaktmotors kann die Kammer dieses Zylinders 30' auf
Unterdruck durch die Auslaßwelleneffekte gebracht werden. Dieses
Auf-Unterdruck-Bringen ruft das öffnen des Ventils 51 und das
Spülen des vorderen Teils der Leitung 36' im Zylinder 30 durch
Frischluft hervor.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung bietet in sämtlichen Fällen
den Vorteil, zur Zerstäubung und Injektion des Kraftstoffs Gas
unter Druck zu verwenden, das im Motor selbst verfügbar ist.
Dieses Gas unter Druck kann andererseits benachbart dem Ort
entnommen sein, wo es zur Injektion des Kraftstoffs in den
Zylinder verwendet wird. Die Gasdrücke können andererseits sehr
hoch bezogen auf den Druck im Zylinder im Augenblick der
Injektion sein, was die Qualität der Zerstäubung und der Injektion
des Kraftstoffs um so mehr erhöht. Andererseits ist es möglich,
den Wirkungsgradverlust des Motors auf einen geringen Wert zu
begrenzen, indem man hauptsächlich verbrannte Gase zur
Sicherstellung der Injektion verwendet.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen
begrenzt.
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Insbesondere kann man die Verwendung von Injektoren
unterschiedlicher Form, von Speicherräumen der Gase unter Druck in
verschiedenen Anordnungen bezogen auf den Injektor und auf die Zylinder
sowie von Steuernocken des Injektors unterschiedlichster Form in
Betracht ziehen.
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Die Erfindung ist nicht nur auf Zweitaktmotoren beschränkt,
sondern kann auch auf jeden Hubkolbenmotor mit innerer
Verbrennung angewendet werden, bei dem unabhängig ein Einführen und ein
Spülen von Frischluft sowie eine pneumatische Injektion von
Kraftstoff realisiert werden.
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Man verläßt den Rahmen der Erfindung auch nicht, indem man
anstelle des Ventils 20, 33, 43, 46 oder 33' ein automatisches
Ventil verwendet, das wie eine Ventilklappe, ein Drehküken oder
ein Ventil mit elektronischer Steuerung wirkt.