DE4305468A1 - Arbeitsverfahren für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor und Zweitakt-Verbrennungsmotoren zur Durchführung dieses Arbeitsverfahrens - Google Patents
Arbeitsverfahren für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor und Zweitakt-Verbrennungsmotoren zur Durchführung dieses ArbeitsverfahrensInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Arbeitsverfahren für
einen Zweitakt-Verbrennungsmotor sowie auf Zweitakt-Verbren
nungsmotoren zur Durchführung dieses Arbeitsverfahrens.
Heutige Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge weisen,
bedingt durch ihr Arbeitsverfahren, eine Anzahl von Nachtei
len auf. Insbesondere Ottomotoren mit Leistungsregelung
durch Drosselung haben niedrige Teillastwirkungsgrade auf
grund der Ladungswechselverluste. Durch die hohen maximalen
Verbrennungsdrücke und -temperaturen, auch im Teillastbe
reich, entsteht sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren
ein hoher Stickoxidanteil im Abgas. Bei modernen Dieselmoto
ren werden Stickoxidemissionen schon durch Abgasrückführung
reduziert. Das Ausschieben der Abgase aus dem Brennraum und
das Rückführen der Abgase in den Brennraum erzeugt zusätzli
che Strömungsverluste. Das Verbrennen des in dem gesamten
Brennraum befindlichen Luft-Kraftstoffgemisches entlang
einer dünnen flächenförmigen Verbrennungsfront ( Flame
Transversing the Charge = FTC) verläuft häufig unvollstän
dig, woraus wiederum Wirkungsgradverluste und unverbrannte
Kohlenwasserstoffe in den Abgasen resultieren. Häufig er
lischt die Flamme auch in der Nähe der Kolben- oder Zylin
derwand vorzeitig (Wandeffekt), wodurch sich erneut der
Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe erhöht. Die Kohlen
wasserstoffe müssen mittels eines Oxidationskatalysators
nachbehandelt werden. Weiterhin sind heutige Motoren jeweils
auf einen bestimmten, im allgemeinen begrenzt verfügbaren
fossilen Brennstoff ausgelegt und daher nicht für den Ein
satz alternativer Brennstoffe geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Arbeitsverfahren für
einen Zweitakt-Verbrennungsmotor zu schaffen, der die ge
nannten Nachteile bekannter Motoren reduziert oder besei
tigt.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße
Arbeitsverfahren aus den folgenden Schritten:
- 1. Verdichten von im Zylinder befindlichen Restabgasen,
- 2. Einbringen eines brennbaren Luft-Kraftstoff-Gemisches in eine begrenzte Zone des Brennraumes, wobei die Vermischung von Luft-Kraftstoff-Gemisch und Restabgasen minimiert wird,
- 3. Zünden des brennbaren Luft-Kraftstoff-Gemisches in der begrenzten Zone,
- 4. Expansion der Zylinderladung und
- 5. kontrolliertes Auslassen einer bestimmten Abgasmenge, die der Abgasmenge entspricht, welche durch die Verbrennung des im folgenden Zyklus in den Zylinder eingebrachten Luft-Kraftstoff-Gemisches entsteht.
Gemäß dem ersten Schritt verbleiben im Zylinder nach dem
Ladungswechsel Restabgase, welche komprimiert werden. In
diese Restabgase wird ein brennbares Luft-Kraftstoffgemisch
eingebracht, wobei dessen Vermischung mit den Restabgasen
minimiert wird, um eine vollständige Durchbrennung des
Gemisches nach der Zündung zu gewährleisten. Die beim Zünden
des brennbaren Luft-Kraftstoffgemisches freigesetzte Wärme
wird sowohl dem Gemisch als auch dem Restabgas zugeführt, so
daß der gesamte Druck- und Temperaturanstieg innerhalb des
Brennraumes geringer ist als bei einer reinen Gemischladung
des Brennraumes. Hierdurch wird die Entstehung von Stickoxi
den reduziert und kann bei entsprechendem Gemisch/Restabgas-
Verhältnis ganz unterdrückt werden. Nach der Expansion der
Zylinderladung wird im Bereich der UT-Stellung (unterer
Totpunkt) des Kolbens lediglich diejenige Abgasmenge aus dem
Zylinder ausgelassen, welche im folgenden Zyklus durch die
Verbrennung des in den Zylinder eingebrachten Luft-Kraft
stoffgemisches entsteht. Durch das selektive Auslassen der
unbedingt notwendigen Abgasmenge reduzieren sich im Teil
lastbereich die Strömungsverluste. Eine Reduktion der Strö
mungsverluste ist selbst im Vergleich zu ungedrosselten
Dieselmotoren festzustellen, da bei diesen immer die gesamte
Zylinderladung ausgestoßen wird.
Die Leistungsregelung geschieht bei dem erfindungsgemäßen
Arbeitsverfahren ausschließlich durch die Menge des einge
brachten Luft-Kraftstoffgemisches ohne Drosselung. Die aus
dem Zylinder auszulassende Abgasmenge ist das Abgasvolumen,
welches die Verbrennungsprodukte des Luft-Kraftstoffgemi
sches bei Auslaßtemperatur und -druck haben. Da auch Auslaß
temperatur und -druck gewissen lastabhängigen Schwankungen
unterworfen sind, kann das theoretisch auszulassende Abgas
volumen von der tatsächlich ausgelassenen Abgasmenge kurz
zeitig abweichen. Diese Abweichungen sind unerheblich,
solange über die gesamte Betriebsdauer die Massenbilanz im
Zylinder gleich Null ist. Die Steuerung des kontrollierten
Auslassens der bestimmten Abgasmenge kann durch Absperrorga
ne in den Auslaßkanälen erfolgen, welche durch eine geeigne
te Meßeinrichtung, ähnlich der bekannten Kennfeld-Motorsteu
erungen gesteuert sind, erfolgen.
Dadurch, daß das Luft-Kraftstoffgemisch während der Verbren
nung von den kalten Kolben- und Zylinderwänden getrennt ist,
erlischt die Flamme nicht an den Wänden, und es entstehen
weniger unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Weiterhin dämpfen
die Restabgase die Schallübertragung aus der Verbrennungszo
ne auf die Zylinder- und Kolbenwand, so daß die Geräuschent
wicklung reduziert wird. Durch das Einbringen des brennbaren
Luft-Kraftstoffgemisches in den relativ heißen, mit Restab
gasen gefüllten Brennraum, eignet sich das erfindungsgemäße
Arbeitsverfahren hervorragend zum Selbstzündungsbetrieb und
zur Verwendung unterschiedlicher Brennstoffe (Vielstoff-Fä
higkeit).
Bevorzugt verläuft die Expansion der Zylinderladung derart,
daß sich die brennenden Gase wenig mit den im unten und
außen liegenden Bereich des Brennraums befindlichen Restab
gasen vermischen. Hierdurch wird gewährleistet, daß die
frisch verbrannten Gase beim nächsten Arbeitstakt im Zylin
der verweilen, während nur die älteren Restabgase beim
Ladungswechsel ausgelassen werden. Durch das Verweilen der
Abgase während eines weiteren Arbeitszyklus im Brennraum
werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe nachoxidiert, und im
Abgas enthaltene Stickoxid-Moleküle können, in Abhängigkeit
von dem Temperatur- und Druckverlauf, zurückgebildet werden.
Für das Minimieren der Vermischung von Luft-Kraftstoffge
misch mit den Restabgasen sowie die Expansion der Zylinder
ladung mit minimaler Vermischung der brennenden Gase mit den
Restabgasen werden zwei Lösungen vorgeschlagen, nämlich das
Arbeitsverfahren nach Patentanspruch 3 und das Arbeitsver
fahren nach Patentanspruch 4.
Bei dem Arbeitsverfahren gemäß Anspruch 3 erfolgt die Tren
nung von Gemisch und Restabgasen auf strömungstechnischer
Weise durch Drallerzeugung, ähnlich den Gemischschichtungs
verfahren bei bekannten Schichtlademotoren. Hierzu strömen
die ausgelassenen Abgase im wesentlichen tangential aus dem
Zylinder, so daß in den verbleibenden Restabgasen eine
Drallströmung erzeugt wird. Das Luft-Kraftstoffgemisch wird
zentral in diese Drallströmung eingebracht und wird nur
langsam durch die Reibungskräfte an der Trennfläche zwischen
der Gemischladung und den Restabgasen in eine Drehbewegung
versetzt. Die Restabgase verweilen aufgrund der Zentrifugal
kräfte hauptsächlich im äußeren Bereich des Brennraumes.
Auch nach der Verbrennung bleibt aufgrund des größeren
Dralls der Restabgase deren Konzentration in der Nähe der
Zylinderwände hoch, und die Verbrennungsprodukte verweilen
während der Expansion im wesentlichen in dem Bereich nahe
der Brennraumachse. So wird gewährleistet, daß beim Auslas
sen hauptsächlich die Restabgase ausgelassen werden und die
Verbrennungsprodukte für einen weiteren Arbeitstakt im
Brennraum verweilen. Durch eine muldenförmige Ausbildung des
Kolbenbodens, wobei der Randbereich des Kolbens mit der
Innenwandung des Zylinderkopfes bei OT-Stellung (oberer Tot
punkt) einen engen Spalt bildet, läßt sich durch das Heraus
drücken der Restabgase aus diesem Randbereich die Drehge
schwindigkeit der Drallströmung erhöhen (Quensch-Effekt).
Bei dem Arbeitsverfahren nach Anspruch 4 wird das
Luft-Kraftstoffgemisch räumlich von den im Zylinder befind
lichen Restabgasen getrennt. Hierzu wird es in einen im
oberen Bereich des Zylinders angeordneten Vorbrennraum
eingebracht, wobei die Restabgase von dem Luft-Kraftstoffge
misch durch eine Öffnung axial nach unten aus dem Vorbrenn
raum heraus in den restlichen Brennraum geschoben werden.
Bei der Verbrennung treten die Verbrennungsprodukte eben
falls aus dieser unteren Öffnung axial aus und strömen in
eine Mulde im Kolbenboden, welche den Vorbrennraum in der
OT-Stellung umfaßt. Anschließend strömen die Verbrennungs
produkte entlang der Kolbenkontur zu den Auslaßkanälen in
der Zylinderwand. Die Vermischung von den Verbrennungspro
dukten mit den Restabgasen ist hierbei ebenfalls recht
gering, so daß das ausgelassene Abgas im wesentlichen aus
Restabgasen besteht und die Verbrennungsprodukte für einen
weiteren Arbeitszyklus im Brennraum verweilen.
Für das Einbringen des Luft-Kraftstoffgemisches bieten sich
mehrere Verfahren an. Ähnlich dem Dieselverfahren kann
zuerst eine bestimmte Luftmenge in die begrenzte Zone des
Brennraumes eingebracht werden, in die anschließend eine
Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Alternativ kann der
Kraftstoff mit Druckluft zusammen in die begrenzte Zone des
Brennraumes eingeblasen werden. Bei einem bevorzugten Ar
beitsverfahren wird zuerst eine bestimmte Luftmenge in die
begrenzte Zone des Brennraumes eingeblasen und der Kraft
stoffin einen kleinen Vormischraum eingespritzt, in dem er
mit dort eingebrachter Luft ein fettes Luft-Kraftstoffge
misch bildet, welches sich an den Wänden des Vormischraumes
aufwärmt, so daß erste Reaktionen stattfinden. Dieses rea
gierende Gemisch wird mittels Druckluft in die in der be
grenzten Zone des Brennraumes eingebrachte Luft eingeblasen,
so daß sich die bei der Reaktion entstehenden Radikale
gleichmäßig in der begrenzten Zone verteilen. Anschließend
wird durch Selbst- oder Fremdzündung eine sogenannte turbu
lente Strahlverbrennung (Pulst Jet Combustion = PJC) in Gang
setzen. Ähnliche Einblassysteme, zum Beispiel das sogenannte
PJC-Generator-System oder der Pulst Air-Blast Atomizer sind
in der Schrift "The Future of Combustion in Engines", Inter
national Conference on Combustion in Engines, I. Mech. E,
London 1992, beschrieben. Hier ist auch ausgeführt, daß die
PJC-Verbrennung eine sehr viel intensivere Verbrennung des
Gemisches und daher geringere Schadstoffkonzentrationen zur
Folge hat. Die bei der PJC-Verbrennung auftretenden Druck
spitzen werden durch den die brennbaren Gase umgebenden
Restabgasmantel gedämpft auf die Zylinderwandung und auf den
Kolbenboden übertragen.
Zweitakt-Verbrennungsmotoren, die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren arbeiten, sind in den Patentansprüchen 8 bis 17
beschrieben. Zur Gemisch-Restabgastrennung ist der Motor
gemäß Anspruch 8 mit im unteren Bereich der Zylinderwand
angeordneten, im wesentlichen tangential abführenden Auslaß
kanälen und einer Einbringvorrichtung für das Luft-Kraft
stoffgemisch im zentralen Bereich des Zylinderkopfes verse
hen, wobei in den Auslaßkanälen ein steuerbares Absperrorgan
angeordnet ist. Die Einbringvorrichtung für das Luft-Kraft
stoffgemisch ist vorzugsweise eine Einblasdüse zur Erzeugung
einer PJC-Verbrennung. Durch einen mit einer Mulde versehe
nen Kolben wird der Drall in der Zylinderladung durch den
Quensch-Effekt erhöht.
Der Zweitakt-Verbrennungsmotor für die Durchführung des
Arbeitsverfahrens nach Anspruch 4 weist einen im mittleren
Bereich des Zylinderkopfes angeordneten Vorbrennraum mit
einer axial nach unten verlaufenden Austrittsöffnung auf, in
den ein Luftzuführkanal und eine Kraftstoffzuführvorrichtung
münden. Der Kolben ist mit einer Kolbenmulde versehen,
welche den Vorbrennraum in OT-Stellung des Kolbens umgreift.
Die seitliche Kolbenmuldenwand weist einen Abstand zur
Zylinderwand auf und deckt in UT-Stellung des Kolbens die
Auslaßkanäle zumindest teilweise ab. Hierdurch wird verhin
dert, daß bei der Expansion die Verbrennungsprodukte direkt
zur Zylinderwand strömen. Zur Steuerung des kontrollierten
Auslassens der bestimmten Abgasmenge ist in den Auslaßkanä
len ein steuerbares Absperrorgan angeordnet. Dieses Absperr
organ kann ein von der Kurbelwelle angetriebener Drehschie
ber sein, dessen Drehwinkel bezüglich der Kurbelwelle verän
derbar ist. Der Drehwinkel kann so versetzt sein, daß der
Drehschieber bei offenen Auslaßkanälen nur während eines
kurzen Zeitraumes offen ist und so bei Teillast nur eine
geringe Abgasmenge ausgelassen wird. Ist die Öffnung des
Drehschiebers mit der Öffnung der Auslaßkanäle synchroni
siert, so wird die maximale Abgasmenge ausgelassen und der
Motor läuft auf Vollast.
Alternativ eignet sich natürlich jedes andere elektronisch
steuerbare Ventil, welches über ein Motorkennfeld in Abhän
gigkeit von dem Betriebspunkt die ausströmende Abgasmenge
regelt. Eine letzte Wirkungsgradverbesserung läßt sich
dadurch erreichen, daß die den Brennraum begrenzenden Flä
chen, insbesondere Kolben- und Zylinderwände, aus wärmeiso
lierenden Werkstoffen bestehen oder zumindest damit be
schichtet sind. Hierfür eignen sich vorzugsweise keramische
Werkstoffe.
In der folgenden Zeichnungsbeschreibung werden zwei Ausfüh
rungsbeispiele des erfindungsgemäßen Motors beschrieben.
Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 bis 3 die schematische Darstellung eines Zweitakt-
Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 8 in Seitenansicht (a) und
Draufsicht (b) im Schnitt bei verschiedenen Kolbenstellungen
und
Fig. 4 bis 7 die schematische Darstellung eines Zwei
takt-Verbrennungsmotors gemäß Anspruch 11 in geschnittener
Seitenansicht bei verschiedenen Drehwinkeln der Kurbelwelle.
In den Fig. 1 bis 3 ist der Zylinder 1 und der Kolben 2 des
Zweitakt-Verbrennungsmotors schematisch dargestellt. In den
Zylinder 1 münden im unteren Bereich des Brennraumes die
Auslaßkanäle 3 tangential ein. Die sich an die Auslaßkanäle
3 anschließenden steuerbaren Absperrorgane sind in diesen
Figuren nicht dargestellt. Im zentralen Bereich des Zylin
derkopfes 4 ist die Einbringvorrichtung 5 für das Luft-
Kraftstoffgemisch schematisch dargestellt. Sie kann zum
Beispiel aus einer ventilgesteuerten Druckluftzuführleitung
in Kombination mit einer konventionellen Dieseleinspritzdüse
bestehen. Vorzugsweise wird die Einbringvorrichtung 5 von
einer Luft-Kraftstoff-Einblasdüse gebildet, mit der der
Kraftstoffin einem Druckluftstrom in den Brennraum einge
blasen wird.
Bei einem Arbeitstakt werden zuerst die mit einem Drall
behafteten Restabgase verdichtet, wobei sich die Drallge
schwindigkeit durch das Ausquetschen der Abgase in den
Randbereichen des Brennraums erhöht. Dieser Quensch-Effekt
wird dadurch erzeugt, daß sowohl der Zylinderkopf 4 als auch
der Kolbenboden 6 eine Mulde aufweisen, wobei die Randberei
che des Kolbenbodens 6 mit den Randbereichen des Zylinder
kopfes 4 bei OT-Stellung des Kolbens 2 (Fig. 1) einen engen
Spalt bilden.
Während der Kompression wird mit der Einbringvorrichtung 5
die Luft-Kraftstoffgemischfüllung 7 in den mit Restabgasen
gefüllten Brennraum eingeblasen. Da die Luft-Kraftstoffge
mischladung 7 nicht mit einem Drall behaftet ist, vermischt
sie sich in ihren Randbereichen nur geringfügig mit den
Restabgasen.
Während der Expansion dehnt sich die brennende Gemischladung
7′ zwar aus (Fig. 2), vermischt sich aber weiterhin nur
geringfügig mit den drallbehafteten Restabgasen. Insbesonde
re im Bereich der Wandung des Zylinders 1 ist die Konzentra
tion der Restabgase am höchsten. Daher werden beim Auslassen
der bestimmten Abgasmenge in der UT-Stellung des Kolbens
(Fig. 3) auch vornehmlich die Restabgase ausgelassen, wobei
die frisch entstandenen Verbrennungsprodukte im zentralen
Bereich des Zylinders 1 verweilen.
Der in den Fig. 4 bis 8 dargestellte Zweitakt-Verbrennungs
motor ist mit einem Vorbrennraum 8 am Zylinderkopf 4′ verse
hen. Der Vorbrennraum 8 weist eine untere axiale Austritts
öffnung 9 auf, die in den Zylinder 1′ führt. Die Gemischein
bringvorrichtung 5′ setzt sich zusammen aus einem ventilge
steuerten Luftzuführkanal 10 und einer Kraftstoffeinblasvor
richtung, bestehend aus einem Vormischraum 11, in den eine
ventilgesteuerte Druckluftzuführleitung 12 und eine Kraft
stoffeinspritzdüse 13 führen.
Der Kolbenboden weist eine große, den Vorbrennraum 8 in der
OT-Stellung des Kolbens umgreifende Kolbenmulde 14 auf. Die
Außenseite 15 der Kolbenmuldenwand deckt in der UT-Stellung
des Kolbens die Auslaßkanäle 3′ in axialer Richtung ab und
hat einen radialen Abstand zur Zylinderwand 16, so daß sich
in der UT-Stellung des Kolbens 2′ ein ringförmiger, zu den
Auslaßkanälen 3′ führender Strömungsquerschnitt für die
Abgase bildet. Hierdurch wird gewährleistet, daß beim Aus
lassen der Abgase hauptsächlich die alten Restabgase aus dem
Zylinder 1′ ausströmen, wobei die Verbrennungsprodukte, die
sich im zentralen Bereich das Zylinders 1′ sowie in der
Kolbenmulde 14 befinden, im Zylinder 1′ verweilen.
Schließlich sind in den Fig. 4 bis 8 auch die Absperrorgane
17 dargestellt, die hier von Drehschiebern gebildet werden.
Die Drehschieber können entweder von der Kurbelwelle ange
trieben sein oder elektronisch steuerbar sein.
Bei einem Arbeitstakt des Verbrennungsmotors gemäß den Fig.
4 bis 7 beginnt im Bereich der OT-Stellung (Fig. 4) die
Verbrennung durch Selbst- oder Fremdzündung in dem Vorbrenn
raum 8. Die brennenden Gase strömen durch die Austrittsöff
nung 9 aus dem Vorbrennraum 8 in die Kolbenmulde 14 des
Kolbens 2′ aus und treiben die Restabgase im Brennraum in
die Randbereiche, insbesondere zwischen der Außenseite 15
der Kolbenmulde 14 und der Zylinderwand 16.
Im Bereich der UT-Stellung des Kolbens 2′ (Fig. 5 und 6)
werden bei geöffneten Auslaßkanälen 3′ die Restabgase aus
dem Zylinder 1′ herausgeleitet, wenn die Absperrorgane 17
geöffnet sind. Bei Vollast sind die Absperrorgane 17 offen
zuhalten, solange die Auslaßkanäle 3′ durch den Kolben 2′
nicht verschlossen werden. In diesem Fall treten auch einige
der Verbrennungsprodukte durch die Auslaßkanäle 3′ aus und
verbleiben nicht während des nächsten Brennzyklus im Zylin
der 1′.
Während des Auslassens der Restabgase wird das Ventil 18 in
dem Luftzuführkanal 10 geöffnet, so daß Frischluft in den
Vorbrennraum 8 einströmen kann. Während der UT-Stellung des
Kolbens bzw. während der Kompressionsphase wird auch mit der
Kraftstoffeinspritzdüse 13 Kraftstoff in den Vormischraum 11
eingespritzt. Der optimale Zeitpunkt für die Kraftstoffein
spritzung ist in Versuchen festzustellen.
Während der Kompressionsphase erwärmt sich das fette Luft-
Kraftstoffgemisch in dem Vormischraum 11 und beginnt zu
reagieren. Durch Öffnen des Ventils 19 in der Druckluftzu
führleitung 12 wird das fette Luft-Kraftstoffgemisch, in dem
sich die ersten Radikale gebildet haben, in den mit Frisch
luft gefüllten Vorbrennraum 8 eingeblasen (Fig. 4) und dort
gezündet. Alternativ können die Reaktionen im Vormischraum
11 so intensiv sein, daß das Gemisch schon hier zündet. Der
Durchlaßkanal zwischen dem Vormischraum 11 und dem Vorbrenn
raum 8 ist vorzugsweise mit einem Rückschlagventil (nicht
dargestellt) versehen, um ein Rückströmen der Gase in den
Vormischraum 11 zu verhindern. An die Zündung schließt sich
ein neuer Expansionstakt an.
Eine Zündvorrichtung ist in den Zeichnungen nicht darge
stellt, da der erfindungsgemäße Motor sowohl mit Selbstzün
dung als auch mit Fremdzündung arbeiten kann. Die Selbstzün
dung wird bei dem Motor gemäß den Fig. 1 bis 3 in der
Trennschicht zwischen dem Gemisch 7 und den heißen Restab
gasen erfolgen. Bei dem Motor gemäß den Fig. 4 bis 7
erfolgt die Selbstzündung an den heißen Wänden des Vorbrenn
raums 8. Für die Warmlaufphase ist in der das Gemisch 7
aufnehmenden, begrenzten Zone des Brennraumes bzw. in dem
Vorbrennraum eine Glühvorrichtung vorzusehen. Soll der Motor
mit Kraftstoff betrieben werden, der nur durch Fremdzündung
entzündbar ist, so ist in der das Gemisch 7 auf nehmenden
begrenzten Zone des Brennraumes bzw. in dem Vorbrennraum 8
eine Zündvorrichtung, z. B. eine Zündkerze oder ein
Plasmastrahl-Zündsystem, anzuordnen.
Die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Arbeitsverfahrens
reduziert sich nicht auf die zwei beschriebenen Ausführungs
beispiele. Insbesondere Variationen der bekannten Schichtla
demotoren eignen sich für das erfindungsgemäße Zweitakt-Ar
beitsverfahren mit Gemisch-Abgas-Schichtladung
(Mixture-Exhaust-Stratified-Charge MESC).
Bezugszeichenliste
1, 1′ Zylinder
2, 2′ Kolben
3, 3′ Auslaßkanal
4, 4′ Zylinderkopf
5, 5′ Gemischeinbringvorrichtung
6 Kolbenboden
7 Luft-Kraftstoff-Gemischladung
7′ brennende Gemischladung
8 Vorbrennraum
9 Austrittsöffnung
10 Luftzuführkanal
11 Vormischraum
12 Druckluftzuführleitung
13 Kraftstoffeinspritzdüse
14 Kolbenmulde
15 Außenseite des Kolbens
16 Zylinderwand
17 Absperrorgan
18 Ventil
19 Ventil
2, 2′ Kolben
3, 3′ Auslaßkanal
4, 4′ Zylinderkopf
5, 5′ Gemischeinbringvorrichtung
6 Kolbenboden
7 Luft-Kraftstoff-Gemischladung
7′ brennende Gemischladung
8 Vorbrennraum
9 Austrittsöffnung
10 Luftzuführkanal
11 Vormischraum
12 Druckluftzuführleitung
13 Kraftstoffeinspritzdüse
14 Kolbenmulde
15 Außenseite des Kolbens
16 Zylinderwand
17 Absperrorgan
18 Ventil
19 Ventil
Claims (17)
1. Arbeitsverfahren für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor,
bestehend aus folgenden Schritten:
- 1. Verdichten von im Zylinder (1, 1′) befindlichen Restabgasen,
- 2. Einbringen eines brennbaren Luft-Kraftstoff-Gemisches in eine begrenzte Zone des Brennraumes, wobei die Vermischung von Luft-Kraftstoff-Gemisch und Restabgasen minimiert wird,
- 3. Zünden des brennbaren Luft-Kraftstoff-Gemisches in der begrenzten Zone,
- 4. Expansion der Zylinderladung und
- 5. kontrolliertes Auslassen einer bestimmten Abgasmenge, die der Abgasmenge entspricht, welche durch die Verbrennung des im folgenden Zyklus in den Zylinder (1, 1′) eingebrachten Luft-Kraftstoff-Gemisches entsteht.
2. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Expansion der Zylinderladung derart verläuft, daß
sich die brennenden Gase wenig mit den im unten und außen
liegenden Bereich des Brennraumes befindlichen Restabgasen
vermischen.
3. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Abgase im wesentlichen tangential aus dem
Zylinder (1) ausströmen, so daß in den im Zylinder (1)
verbleibenden Restabgasen eine Drallströmung erzeugt wird
und daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch zentral in diese Drall
strömung eingebracht wird.
4. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Luft-Kraftstoff-Gemisch in einen zentral
im oberen Bereich des Zylinders (1′) angeordneten Vorbrenn
raum (8) eingebracht wird, welcher bei OT-Stellung des
Kolbens (2′) von einer Kolbenmulde (14) umfaßt wird, wobei
die Brenngase beim Expandieren axial aus dem Vorbrennraum
(8) in die Kolbenmulde (14) strömen und anschließend radial
aus der Kolbenmulde (14) zu den Auslaßkanälen (3′) in der
Zylinderwand strömen.
5. Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen des Luft-
Kraftstoff-Gemisches aus den folgenden Schritten besteht:
- a. Einbringen einer bestimmten Luftmenge in die begrenzte Zone des Brennraumes und
- b. Einbringen einer bestimmten Kraftstoffmenge in die Luftmenge im Brennraum.
6. Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff zusammen mit Druck
luft in die begrenzte Zone des Brennraumes eingeblasen wird,
wobei sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch intensiv vermischt.
7. Arbeitsverfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in einen Vormischraum
(11) einspritzt wird, in dem der Kraftstoff mit dort einge
brachter Luft ein fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch bildet, und
dieses fette Luft-Kraftstoff-Gemisch mittels Druckluft in
die Luftmenge in der begrenzten Zone im Brennraum eingebla
sen wird, wenn der Kolben (2, 2′) sich im Bereich der
OT-Stellung befindet.
8. Zweitakt-Verbrennungsmotor für die Durchführung des
Arbeitsverfahrens nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch im
unteren Bereich der Zylinderwand angeordnete, im wesentli
chen tangential abführende Auslaßkanäle (3) und eine Ein
bringvorrichtung (5) für das Luft-Kraftstoff-Gemisch im
zentralen Bereich des Zylinderkopfes (4), wobei in den
Auslaßkanälen (3) ein steuerbares Absperrorgan angeordnet
ist.
9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einbringvorrichtung (5) eine Luft-Kraftstoff-Einblasdüse
ist.
10. Motor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolben (2) eine Mulde zur Bildung des Brennraumes
bei OT-Stellung aufweist, wobei der Randbereich des Kolbens
mit der Innenwandung des Zylinderkopfes (4) bei OT-Stellung
einen engen Spalt bildet.
11. Zweitakt-Verbrennungsmotor für die Durchführung des
Arbeitsverfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
- - daß am Zylinderkopf (4′) ein Vorbrennraum (8) mit einer axial nach unten verlaufenden Austrittsöffnung (9) zentral angeordnet ist, in den ein Luftzuführkanal (10) und eine Kraftstoffzuführvorrichtung (5′) münden,
- - daß der Kolben (2′) eine den Vorbrennraum (8) in OT- Stellung umgreifende Kolbenmulde (14) aufweist, wobei die Außenseite (15) der seitlichen Kolbenmuldenwand einen Abstand zur Zylinderwand (16) aufweist und in der UT-Stellung des Kolbens (2′) die in den Zylinder (1′) mündenden Auslaßkanäle (3′) axial zumindest teilweise abdeckt und
- - daß in den Auslaßkanälen (3′) ein steuerbares Absperrorgan (17) angeordnet ist.
12. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kraftstoffzuführvorrichtung (5′) eine Kraftstoffeinspritzdü
se ist.
13. Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kraftstoffzuführvorrichtung (5′) eine Luft-Kraftstoff-
Einblasdüse ist, welche einen Vormischraum (11) aufweist, in
den eine Druckluftzuführleitung (12) und eine Kraftstoffein
spritzdüse (13) münden.
14. Motor nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Absperrorgan (17) ein von mit Kurbelwelle
synchronisierter Drehschieber ist, dessen Drehwinkel bezüg
lich der Kurbelwelle veränderbar ist.
15. Motor nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Absperrorgan (17) ein elektronisch steuer
bares Ventil ist.
16. Motor nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß die den Brennraum begrenzenden Kolben- und
Zylinderwände aus wärmeisolierenden Werkstoffen bestehen.
17. Motor nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß die den Brennraum begrenzenden Kolben- und
Zylinderwände mit wärmeisolierenden Werkstoffen beschichtet
sind.
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