DE19643886C2 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brenn­ kraftmaschine und eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der EP 0 463 613 A1 bekannt. Sie weist in an sich bekannter Weise einen Brennraum auf, der durch einen Zylinder, einen im Zylinder auf- und abbe­ wegbaren Kolben und einen Zylinderkopf begrenzt ist. Im Zylin­ derkopf ist zumindest ein Einlaß- und ein Auslaßventil angeord­ net. Am Randbereich des Zylinderkopfes mündet unmittelbar neben dem Einlaßventil eine Einspritzdüse in den Brennraum, die Kraft­ stoff unter einem flachen Winkel in den Brennraum einspritzen kann. Der Zylinderkopf ist in seinem mittigen Bereich nach unten in den Brennraum verlängert. In diesem mittigen Bereich ist eine Zündkerze vertikal befestigt, die mit ihren Zündelektroden in den Brennraum ragt.

Am oberen Totpunkt OT befindet sich der Kolben in seiner maxima­ len oberen Stellung und ist mit seinem Kolbenboden unmittelbar am Zylinderkopf angeordnet. Im Bereich der Zündkerze weist der Kolbenboden eine kleine schalenförmige Ausnehmung auf, die die Zündelektroden der Zündkerze im oberen Totpunkt des Kolbens umfaßt. Im Bereich unterhalb des Einlaßkanals ist in den Kolben­ boden eine schalenförmige Senke eingebracht. Die Senke erstreckt sich von der Einspritzdüse bis zur Ausnehmung im Kolbenboden, in die die Zündelektroden ragen.

Wird diese Brennkraftmaschine mit geringer Last betrieben, so wird eine kleine Brennstoffmenge in die Mulde des Kolbenbodens eingespritzt, wobei der eingespritzte Kraftstoff entlang dem sphärischen Muldenboden in den Bereich der Ausnehmung bzw. Zünd­ kerzen geleitet wird. Im Bereich der Zündkerze sammelt sich somit ein relativ stark angereichertes, zündfähiges Gemisch an.

Bei höherer Last wird eine erste Kraftstoffmenge eingespritzt, kurz nachdem der Kolben den unteren Totpunkt UT erreicht hat. Die erste Kraftstoffmenge wird mit der angesaugten Luft zu einem mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch gemischt. Eine zweite Kraft­ stoffmenge wird eingespritzt, wenn sich der Kolben etwa auf hal­ ber Höhe zwischen dem oberen und unteren Totpunkt befindet, so daß der Kraftstoff etwa senkrecht auf die Senke auftrifft und sich nur ein kleiner Teil davon in der Ausnehmung ansammelt. Hierdurch wird das vorab abgespritzte Kraftstoff/Luft-Gemisch im Bereich der Ausnehmung zu einem zündfähigen Gemisch angerei­ chert, das durch die Zündkerze gezündet werden kann.

Diese Brennkraftmaschine arbeitet somit bei hoher Last nach dem sogenannten Ladungs-Schichtungsprizip, nach dem im Brennraum unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlich fetten Kraft­ stoff/Luft-Gemischen ausgebildet sind, wobei der Bereich um die Zündkerze vorzugsweise fetter und damit zündfähiger als die übrigen Bereiche ist. Die Ladungsschichtung durch Doppelein­ spritzung dient vor allem zum Betreiben von Magermotoren.

Aus der DE 41 10 618 C2 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffeinspritz-Steuersystem bekannt, das in einem mittleren Lastbereich eine Ladungsschichtung durch zweistufiges Einsprit­ zen von Kraftstoff erzeugt. Eine erste Kraftstoffmenge wird frühzeitig eingespritzt und mischt sich mit der angesaugten Luft zu einem mageren Kraftstoff/Luft-Gemisch. Eine zweite Kraft­ stoffmenge wird kurz vor dem Zündzeitpunkt in den Bereich der Zündkerze eingespritzt und gezündet. Die zweite Kraftstoffmenge dient als Zündhilfe zum Zünden des mageren Kraftstoff/Luft-Gemi­ sches. Bei größeren Lasten wird diese Brennkraftmaschine mit einer homogenen Ladungsverteilung betrieben.

Das Betreiben von Brennkraftmaschinen mit Ladungsschichtung, insbesondere von Zweitaktbrennkraftmaschinen, hat sich bisher nicht durchsetzen können, da die Einspritzverfahren sehr auf­ wendig sind und zudem keine befriedigenden Laufeigenschaften beim Übergang vom Betrieb mit Ladungsschichtung zum Betrieb mit homogener Gemischaufbereitung erreicht werden konnten.

Aus der DE 40 90 429 A1 ist eine Zweitaktbrennkraftmaschine bekannt, welche eine Einspritzdüse zur Direkteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum aufweist. Der Kraftstoff wird gleichmäßig, d. h. tangential zu einer Mulde im Kolbenboden ein­ gespritzt. Die Einspritzdüse ist so angeordnet, daß sie Kraft­ stoff entgegengesetzt zur Auslaßrichtung einer Auslaßöffnung einspritzt.

Aus der DE 1,576,005 A ist eine luftverdichtende Einspritzbrenn­ kraftmaschine mit Fremdzündung bekannt, bei der ein Kraftstoff­ strahl auf eine im Kolben befindliche Mulde aufgespritzt wird und dort filmartig auf der Kolbenmuldenoberfläche aufgetragen wird.

Dies ist nachteilig, da filmartig aufgetragene Kraftstoffe auf Brennraumoberflächen nur sehr schlecht, d. h. langsam und unvoll­ ständig während eines Arbeitstaktes abbrennen und somit eine erhöhte Schadstoffemission verursachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfah­ ren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mittels Ladungs­ schichtung zu erhalten, das insbesondere für Zweitaktbrennkraft­ maschinen geeignet ist. Der Erfindung liegt zudem die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, in der eine La­ dungsschichtung effektiv und auf einfache Art und Weise herbei­ geführt werden kann und die bei kleinsten als auch bei mittleren Motorlasten sehr gute Laufeigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird in eine Brennkraftmaschine mit einer Einspritzdüse ein Kraftstoffstrahl in einen Brennraum eingespritzt, der unter einem steilen Winkel auf einen Kolbenbo­ den gerichtet ist, wobei im Bereich des Kolbenbodens, auf den der Kraftstoffstrahl auftrifft, eine Mulde ausgebildet ist, so daß der Kraftstoff in den Brennraum zurückreflektiert wird.

Weiterhin wird das im Brennraum erzeugte Kraftstoff-/Luftgemisch mittels einer Zündkerze, welche mit ihren Zündelektroden im Bereich eines eingespritzten, noch nicht reflektierten primären Kraftstoffstrahls angeordnet ist, am primären Kraftstoffstrahl gezündet.

Die Reflektion des Kraftstoffes erzeugt im Brennraum einen Be­ reich mit einem bestimmten Kraftstoff/Luft-Verhältnis. Das Kraftstoff/Luft-Verhältnis in diesem Bereich unterscheidet sich vom übrigen Bereich des Brennraumes, indem der Kraftstoff un­ mittelbar durch den Kraftstoffstrahl eingebracht wird. Hierdurch wird mit nur einem einzigen Kraftstoffstrahl eine gezielte inho­ mogene Ladungsverteilung und damit eine gewünschte Ladungs­ schichtung erzielt. Eine aufwendige Doppeleinspritzung ist nicht notwendig.

Diese geschichtete Ladung brennt in allen Lastzuständen ideal ab, da die Frischluft immer ungedrosselt angesaugt wird, so daß alle Abgase von dem vorhergehenden Arbeitstakt aus dem Brennraum ausgetrieben sind und dieser immer mit Frischluft gefüllt ist.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen Brennraum einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch einen Brennraum eines zweiten Ausführungsbeispieles einer Brennkraftmaschi­ ne,

Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch einen Brennraum eines dritten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschi­ ne,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Kolben, der bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel verwendet wird,

Fig. 5 eine Einspritzpumpe im Längsschnitt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei einer Brennkraftmaschine 1 angewandt, die in an sich bekannter Weise zumindest einen Zylinder 2 aufweist, in dem ein Kolben 3 beweglich angeordnet ist. Der Zylinder 2 ist oben durch einen Zylinderkopf 4 abge­ schlossen. Ein Brennraum 5 wird durch eine Innenfläche 6 des Zylinders 2, einer Innenfläche 7 des Zylinderkopfes 4 und einen Kolbenboden 8 des Kolbens 3 begrenzt.

Die Innenfläche 7 des Zylinderkopfes 4 weist im Zentrum eine dom- bzw. kuppelförmige Ausnehmung 9 auf, an der sich ein nach außen, unter einem flachen Winkel schräg abfallender Flankenbe­ reich 10 anschließt.

Im Bereich der Ausnehmung 9 ist in dem Zylinderkopf 4 eine Boh­ rung 11 zur Aufnahme einer Zündkerze 12 und eine Bohrung 13 zur Aufnahme einer Einspritzdüse 14 angebracht. Die Bohrung 13 für die Einspritzdüse 14 ist etwa vertikal im Zylinderkopf 4 bzw. mit einer geringen Abweichung gegenüber einer vertikalen Achse 15 von bis zu etwa 30° angeordnet, so daß die Einspritzdüse 14 einen Kraftstoffstrahl 16 senkrecht mit einer geringen Neigung gegenüber einer senkrecht auf dem Kolbenboden 8 stehenden Achse 15 gegen den Kolbenboden 8 abspritzt. Der Winkel α zwischen der auf dem Kolbenboden 8 senkrecht stehenden Achse 15 und einer Längsachse der Bohrung 13 liegt im Bereich von 0° bis 40° und beträgt vorzugsweise etwa 10° bis 20°. Die Einspritzdüse 13 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß der Kraftstoffstrahl 16 in Form eines Kegels abgespritzt wird, wobei der Kegelwinkel β etwa 15° bis 40° beträgt.

Der Kolbenboden 8 ist leicht konvex gewölbt, so daß der im Rand­ bereich an den Flankenbereich 10 des Zylinderkopfes 4 angepaßt ist. Er weist erfindungsgemäß eine Mulde 17 auf. Die Mulde 17 ist im mittigen Bereich des Kolbenbodens 8 angeordnet, in dem der Kraftstoffstrahl 16 auf den Kolbenboden 8 auftrifft.

Im ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) weist die Mulde 17 einen ebenflächigen Muldenboden 18 auf, der durch eine senkrecht auf den Muldenboden 18 ausgerichtete Begrenzungswandung 19 begrenzt ist. Diese Begrenzungswandung 19 bildet mit dem Muldenboden 18 eine scharfe Kante 20.

Die Zündkerze 12 weist Zündelektroden 21 auf und ist im Zylin­ derkopf 4 so angeordnet, daß sie mit ihren Zündelektroden 21 in den in Form eines Kegels abgespritzten Kraftstoffstrahl 16 ragt, wobei die Zündelektroden 21 vorzugsweise den Randbereich des Kraftstoffkegels berühren.

Als Einspritzvorrichtung wird eine Hochdruckeinspritzeinrichtung verwendet. Vorzugsweise arbeitet die Einspritzvorrichtung nach dem Energiespeicherprinzip und insbesondere nach dem Festkörper- Energiespeicherprinzip. Nach dem Energiespeicherprinzip arbei­ tende Einspritzvorrichtungen sind beispielsweise aus der DE-PS 213 472, der DE 41 06 015 A1 und der DE 42 06 817 C2 bekannt.

In Fig. 5 ist eine nach dem Festkörperprinzip arbeitende Ein­ spritzvorrichtung dargestellt. Sie ist als Hubkolbenpumpe 30 mit integriertem Anschlagventil ausgebildet, wobei sie auf einer Seite Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (nicht dargestellt) ansaugt (Pfeil 28) und auf der anderen Seite einen kurzzeitigen Kraftstoffimpuls zur Einspritzdüse 14 abgibt (Pfeil 29).

In einem zylindrischen mehrteiligen Gehäuse 31 ist in einer von einem Außenmantel 32 und einem zylindrischen Innenmantel 33 sowie einer tankseitigen Stirnwandung 34 und einer drucklei­ tungsseitigen Stirnwand 35 begrenzten Innenraum 36 eine Spule 37 angeordnet. Der vom Innenmantel 33 umgebene zylindrische Innen­ raum 36 des Gehäuses 31 wird durch einen sich radial nach innen erstreckenden Ring 38 in einen tankseitigen und einen drucklei­ tungsseitigen Innenraumbereich abgeteilt. Druckleitungsseitig ist gegen die Ringkante des Ringes 38 ein formschlüssig und fest in diesem Innenraum sitzender Ringwulst 39 eines Kolbens 40 gesetzt, wobei der Kolben 40 die Ringöffnung 41 des Ringes 38 mit Abstand durchgreift und in den tankseitigen Bereich des Innenraumes 36 ragt. Der Kolben 40 ist von einer durchgehenden Bohrung 42 durchsetzt, die im tankseitigen Endbereich des Kol­ bens erweitert ausgebildet ist und dort ein Ventil 43 lagert, das von einer Schraubenfeder 44 in Richtung Tankseite für die Schließstellung gegen einen Ventilsitz 45 gedrückt wird, mithin durch die Einwirkung eines von der Tankseite wirkenden Druckes geöffnet werden kann.

Auf dem im tankseitigen Innenraumbereich des Innenraumes 36 befindlichen Teil des Kolbens 40 sitzt formschlüssig und gleit­ bar ein Pumpenzylinder 46 der Hubkolbenpumpe, der von einer sich einendig auf den Ring 38 und anderendig an einer Ringstufe 48 des Zylinders abstützenden Schraubenfeder 47 mit seiner tanksei­ tigen Stirnfläche gegen eine Ringstufe 49 im Innenrum 36 ge­ drückt, wobei ein die Stirnringfläche 50 überragender Ventil­ stutzen 51 mit radialem Abstand ein Stück in den in diesem Be­ reich radial verengten Innenraum 36a ragt, und wobei die druck­ leitungsseitige Stirnringfläche des Zylinders 46 im Abstand von Ring 38 angeordnet ist und somit ein Bewegungsraum für den Zy­ linder 46 geschaffen wird. Der formschlüssig an der Innenwandung des Innenraumes 36 geführt sitzende Zylinder 46 weist achspar­ allele, stirnseitig offene Längsnuten 52 in der Mantelfläche auf, deren Funktion weiter unten erläutert wird.

In der den Pumpenzylinder 46 durchsetzenden, durchgehenden und den Kolben 40 aufnehmenden Bohrung 53 lagert tankseitig ein dem Kolben 40 vorgeordnetes Stößenventil, dessen Stößelteller 54 im Abstand von der Stirnringfläche des Kolbens 40 in einer kurzen Bohrungserweiterung angeordnet ist und dessen Stößenstiel 55 die verengte Bohrung 53a im Ventilstutzen 51, sich gegen die Innen­ wandung der Bohrung 53a abstützend, durchgreift und in den ver­ engten Innenraum 36a ragt.

Am freien Ende des Stößelstiels 55 ist zweckmäßigerweise ein Teller 56 befestigt, der Löcher 57 aufweist, deren Funktion weiter unten erläutert wird, wobei der Stößelstiel 55 noch ein Stück über den Teller 56 hinausragt und gegen die tankseitige Bodenfläche 58 des Innenraumes 36a stößt. Dabei ist der Stößel­ stiel 55 so lang gewählt, daß der Stößelteller 56 von seinem Ventilstitz, der druckleitungsseitigen Öffnung 59 der verengten Bohrung 53a abgehoben ist, so daß ein bestimmter Spalt "X" ge­ bildet wird, dessen Sinn und Zweck weiter unten erläutert wird. Eine Schraubenfeder 60 stabilisiert diese Stellung des Stößel­ ventils in der abgebildeten Ruhestellung der Hubkolbenpumpe, indem sich die Feder 60 einendig auf der Stirnringfläche 50 des Zylinders 46 und anderendig gegen den Teller 56 abstützt.

Von der Bodenfläche 58 erstrecken sich achsparallele Bohrungen 61 in die Bodenwandung und münden in einen axialen Ventilraum 62, in dem ein von einer Schraubenfeder 64 in Tankrichtung gegen einen Ventilsitz 63 gedrückter Ventilteller 65 angeordnet ist, der peripher vom Ventilsitz 63 abdeckbare Rillen 66 aufweist, so daß das Ventil durch einen tankanschlußseitigen Druck gegen die Belastung der Feder 64 geöffnet werden kann und ein Durchgang vom Ventilraum 62 zu den Bohrungen 61 geschaffen wird.

Der Ventilraum 62 steht mit einer zum Kraftstofftank führenden Kraftstoffleitung in Verbindung (nicht dargestellt); an die druckleitungsseitige Stirnwandung 35 bzw. an einen verlängerten Stutzen der Innenwandung 33 wird eine Druckleitung angesetzt (nicht dargestellt), die zum Abspritzventil führt. Die in der Fig. 5 gezeichneten Pfeile deuten den Weg des Kraftstoffes an.

Die in Fig. 5 abgebildete Hubkolbenpumpe funktioniert wie folgt:
Durch die Erregung der Spule 37 wird der Zylinder 46 aus der abgebildeten Ruhestellung in Richtung Druckleitung nahezu wider­ standslos beschleunigt, wobei aus dem Innenraum 36 über die Nuten 52 und der Bohrung 53 bzw. dem Stößeltellerraum Kraftstoff in Richtung Innenraum 36a abfließt. Die beschleunigte Bewegung endet mit dem Auftreffen des Ventilsitzes 59 auf dem Ventiltel­ ler 54 abrupt, so daß die gespeicherte Energie des Zylinders 46 auf dem in den Stößelvorraum befindlichen Kraftstoff übertragen wird. Das Ventil 43 wird geöffnet und der Druck auf den in der Bohrung 42 bzw. in der Druckleitung befindlichen Kraftstoff fortgepflanzt, wodurch ein Abspritzen von Kraftstoff durch die Einspritzdüse 14 erfolgt. Wenn die Erregung dann noch nicht abgeschaltet ist, wird solange Kraftstoff abgespritzt, wie der Zylinder 46 bewegt wird. Das Stößelventil 54, 55 wird dabei vom Zylinder 46 mitgenommen und es entsteht ein Unterdruck in den Innenräumen 36, 36a sowie in den Bohrungen 61 und dem vom Ventil 65 abgegrenzten Vorraum des Ventilraums 62, so daß das Ventil 65 geöffnet wird. Der Kraftstoff fließt vom Tank kommend durch die peripheren Rillen 66 im Ventilteller 54, den Vorraum des Ventil­ raums 62, die Bohrungen 61 und die Löcher 57 im Teller 56 in den Innenraum 36a sowie über die Nuten 52 in den Innenraum 36. Nach dem Abschalten der Erregung wird der Zylinder von der Feder 47 in seine Ruhe- bzw. Ausgangsstellung zurückgedrückt, wobei vor­ her der Stößelstiel 55 gegen die Bodenwandung 58 stößt und das Stößelventil geöffnet wird, so daß Kraftstoff durch den Zwi­ schenraum zwischen dem Stößelstiel und der Bohrung 53a in die Bohrung bzw. den Stößeltellervorraum 53 fließen kann. Dabei bleibt das Ventil 43 geschlossen. Es wirkt als Standdruckventil und hält in dem zwischen dem Einspritzventil und dem Ventiltel­ ler 54 befindlichen, mit Kraftstoff gefüllten Raum einen Stand­ druck im Kraftstoff aufrecht, der z. B. höher ist als der Dampf­ druck der Flüssigkeit der maximal auftretenden Temperatur, so daß eine Blasenbildung verhindert werden kann.

Mit der Hubkolbenpumpe 30 kann Kraftstoff mit mehr als 40 bar, vorzugsweise 60 bar, in den Brennraum 5 eingespritzt werden. Hierdurch wird der Kraftstoffstrahl 16 mit einer Austrittsge­ schwindigkeit von etwa 15 bis 35 m/sec aus der Einspritzdüse 13 gespritzt.

Erfindungsgemäß unterscheidet man zwischen einem primären Kraft­ stoffstrahl 16a, der sich zwischen der Einspritzdüse 14 und dem Kolbenboden 8 erstreckt und einem reflektierten, sekundären Kraftstoffstrahl 16b, der vom Kolbenboden 8 bzw. dessen Mulde 17 zurück in den Brennraum 5 reflektiert wird.

Da die Mulde 17 durch die Begrenzungswandung 19 scharfkantig begrenzt ist, wird der sich am Muldenboden 18 nach außen aus­ breitende Kraftstoff abgebremst und mit wenig Energie zurück in den Brennraum 5 reflektiert. Der sekundäre Kraftstoffstrahl 16b bildet somit eine über dem mittigen Bereich des Kolbenbodens 8 stehende Kraftstoffwolke 70. In der Kraftstoffwolke 70 verteilt sich der Kraftstoff in feinste Partikel und bildet einen homoge­ nen Bereich mit einem bestimmten Kraftstoff/Luft-Verhältnis.

Durch die hohe Abspritzgeschwindigkeit zerstäubt ein beträcht­ licher Anteil des Kraftstoffes im primären Kraftstoffstrahl 16a sehr fein und vermischt sich mit der Luft im Brennraum 5. Der Hauptteil des abgespritzten Kraftstoffes bildet den kegelförmi­ gen Kernbereich des Kraftstoffstrahles 16a, der an sich für eine Zündung durch die Zündkerze 12 zu fett ist. Da der primäre Kraftstoffstrahl 16a jedoch aus Kraftstofftröpfchen unterschied­ licher Größe besteht, ist im primären Kraftstoffstrahl 16a das Kraftstoff/Luft-Verhältnis nur in kleinsten Partialbereichen konstant. Diese Partialbereiche, die jeweils unterschiedliche Kraftstoff/Luft-Verhältnisse aufweisen, durchströmen mit hoher Geschwindigkeit die Funkenstrecke zwischen den Zündelektroden 21 der Zündkerze 12 während der Brenndauer eines Zündfunkens. Die Brenndauer eines Zündfunkens beträgt üblicherweise 1 bis 2 ms. Dies genügt, daß mehrere Partialbereiche mit unterschiedlichen Kraftstoff/Luft-Verhältnissen die Funkenstrecke durchqueren, wobei die relativ mageren Partialbereiche durch den Zündfunken gezündet werden, so daß sowohl die durch den sekundären Kraftstoffstrahl 16b erzeugte Kraftstoffwolke 70 als auch der sich im Brennraum 5 aus dem primären Kraftstoffstrahl 16a zer­ stäubte Kraftstoff abbrennen. Die Brenndauer des Zündfunkens wird vorzugsweise auf 4 bis 5 ms verlängert, so daß auch während ungünstiger Betriebszustände eine sichere Zündung erfolgen kann.

Die Brennkraftmaschine wird bei niedrigeren Lasten als Vollast erfindungsgemäß ohne oder nur mit geringer Drosselung der An­ saugluft betrieben, so daß Abgase aus dem vorherigen Arbeitstakt vollständig aus dem Brennraum ausgetrieben werden. Hierdurch befindet sich im Brennraum 5 immer eine weit größere Luftmenge als die zur Erzeugung der gewünschten Motorleistung notwendige Luftmenge. Im Extremfall kann die Brennkraftmaschine sogar ohne Drosselklappe bzw. Drosselventil ausgebildet sein. Die Leistung des Motors wird im wesentlichen durch die pro Einspritzvorgang eingespritzte Kraftstoffmenge eingestellt.

Dieser Betrieb in niedrigeren Motorlasten mit nur wenig oder überhaupt nicht gedrosselter Ansaugluft in Verbindung mit einer Ladungsschichtung mittels Reflektion auf dem Kolbenboden 8 be­ wirkt überaus gute Abgaswerte bei gleichzeitig exakter Leistungskontrolle der Brennkraftmaschine bis hin zum lastfreien Lauf. Die Anordnung beeinträchtigt andererseits die maximal mögliche Leistungsausbeute der Brennkraftmaschine in keinster Weise, so daß die üblichen Hubraum-spezifischen Leistungen er­ zeugt werden. Hierdurch ist es auch möglich, eine Zweitaktbrenn­ kraftmaschine sehr wirkungsvoll mit Ladungsschichtung zu betrei­ ben, wobei nur ein einziger Einspritzvorgang pro Arbeitstakt notwendig ist. Durch den vollständigen Austausch des Abgases durch Frischluft wird in allen Lastbereichen ein ideales Abbren­ nen des Kraftstoff/Luft-Gemisches erzielt, so daß die Brennkraftmaschine in allen Lastbereichen gute Gleichlaufeigen­ schaften aufweist.

Durch die Ausbildung des Flankenbereiches 10 am Zylinderkopf 4 und die entsprechend konvex geformte Oberfläche des Kolbenbodens 8, die im oberen Totpunkt mit geringem Abstand zu dem Flankenbe­ reich 10 des Zylinderkopfes 4 angeordnet ist, wird während des Kompressionshubes Luft aus den Randbereichen des Zylinders 2 in den mittigen Bereich über der Mulde 17 (Pfeil 72) gepreßt, so daß durch die hierdurch erzeugte Verwirbelung die Durchmischung des Luft/Kraftstoff-Gemisches optimiert wird.

Die Anordnung der Einspritzdüse 13 und der dom- bzw. kuppelför­ migen Ausnehmung 9 sind vorzugsweise so ausgestaltet, daß weder der primäre noch der sekundäre Kraftstoffstrahl 16a, 16b mit den Brennrauminnenflächen 6, 7 in Berührung kommen.

Dieses erste Ausführungsbeipiel ermöglicht den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit geschichteter Ladung besonders bei ge­ ringsten Lasten, da durch die scharfkantig abgegrenzte Mulde 17 die Geschwindigkeit des reflektierten Kraftstoffs stark abge­ bremst wird und somit dessen weiträumige und homogene Verteilung im Brennraum 5 vermieden wird. Dies ermöglicht eine sichere, schnell und vollständig ablaufende Verbrennung, die durch die leichte Entflammbarkeit des energiereichen primären Kraftstoff­ strahles an der Zündelektrode schon zu einem sehr frühen Zeit­ punkt nach Einspritzbeginn eingeleitet wird.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennkraft­ maschine dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind swohl die Einspritzdüse 14 als auch die Zündkerze 12 seitlich von der vertikalen Mittelachse 15 des Zylinders 2 versetzt angeordnet und voneinander entfernt. Im Kolbenbereich 8 ist wiederum eine Mulde 73 eingebracht, die im Bereich etwa unterhalb der Ein­ spritzdüse 14 angeordnet ist. Die Mulde 73 weist einen geneigten Muldenboden 74 auf, der in Richtung zur Zündkerze 12 abfällt und an dem zur Zündkerze 12 zeigenden Randbereich der Mulde 73 mit einer kurzen, steilen Begrenzungswandung 75 bis zur konvexen Oberfläche des Kolbenbodens 8 ansteigt. Die Begrenzungswandung 75 ist etwa rechtwinklig zum Muldenboden 74 angeordnet, wobei der Übergang zwischen dem Muldenboden 74 und der Begrenzungs­ wandung 75 nicht scharfkantig, sondern als Rundung 76 ausgebil­ det ist. Eine gedachte, nach oben gerichtete geradlinige Ver­ längerung ersteckt sich in den Bereich der Zündelektroden 21 der Zündkerze 12.

Wird ein Kraftstoffstrahl 16 in den Brennraum 5 bzw. in die Mulde 73 eingespritzt, so breitet er sich auf dem Muldenboden 74 aus, wobei ein Teil des Kraftstoffes ungebremst mittels der Be­ grenzungswandung 75 auf die Zündelektroden 21 der Zündkerze 12 abgelenkt wird. Der Kraftstoff spritzt somit aus der Mulde 73 seitlich in Richtung zur Zündkerze 12 ab und bildet den sekundä­ ren Kraftstoffstrahl 16b. Zum besseren Verständnis des Absprit­ zens des sekundären Kraftstoffstrahles 16b kann man diesen Ab­ spritzvorgang mit dem seitlichen Abspritzen von Wasser verglei­ chen, wenn man einen Löffel unter einen Wasserstrahl hält.

Der in der Mulde 73 auftreffende Kraftstoff wird somit im we­ sentlichen ungebremst in den Brennraum 5 in Richtung zur Zünd­ kerze 12 als sekundärer Kraftstoffstrahl 16b umgelenkt. Die kinetische Energie dieses sekundären Strahles 16b ist auch an der Zündelektrode noch hoch genug, um sicher entflammt zu wer­ den.

Dieses zweite Ausführungsbeispiel ermöglicht den Betrieb einer Brennkraftmaschine mit geschichteter Ladung besonders bei mitt­ leren Lasten. Da der Beginn des Einspritzvorganges aufgrund des längeren Weges des Kraftstoffs deutlich früher als die Zündung erfolgen kann, wird die Einbringung und Aufbereitung größerer Kraftstoffmengen möglich. Im Brennraum 5, an dem die Mulde 73 bezüglich der Einspritzdüse 13 ideal für das verzögerungsfreie Umlenken eines Teils des Kraftstoffes 16b ausgerichtet ist, wird ein wesentlicher Anteil Kraftstoff schon im primären Strahl 16a zerstäubt, mit Luft vermischt und vom Kolbenboden mit verminder­ ter Geschwindigkeit reflektiert. Die Zeit bis zur Zündung ist jedoch so bemessen, daß eine weiträumige und homogene Verteilung im Brennraum nicht stattfindet, also wiederum Ladungsschichtung vorliegt.

Die Entflammung der insgesamt größeren Kraftstoffmenge kann weiterhin zu einem thermodynamisch günstigen Zeitpunkt erfolgen, da lediglich der Spritzbeginn und nicht der Zündzeitpunkt früher verlegt werden mußte. Sichere Entflammung ist durch den energie­ reichen umgelenkten Teilstrahl 16b beim Durchqueren der Funken­ strecke weiterhin gewährleistet.

In den Fig. 3 und 4 ist ein drittes bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel der Erfindung dargestellt.

Es weist einen Kolbenboden 8 mit einer Doppelmulde 80a auf. Die Doppelmulde 80a ist in der Draufsicht (Fig. 4) etwa kreisförmig ausgebildet, mit einer schmalen, in der Draufsicht etwa pillen­ förmigen Umlenkmulde 81 und einer, den restlichen Bereich der Doppelmulde 80a abdeckenden Abbrems-Reflektor-Mulde 82.

Die Umlenkmulde 81 ist im Querschnitt (Fig. 3) etwa V-förmig mit zwei seitlichen Flanken 81a, b und einem abgerundeten Boden 81c ausgebildet. Die Abbrems-Reflektor-Mulde 82 weist einen eben­ flächigen, horizontalen Muldenboden 83 auf, der angrenzend zur Umlenkmulde 81 von einer zur Umlenkmulde 81 allmählich anstei­ genden Begrenzungswandung 84 und einer zum Muldenboden 83 ver­ tikal ausgerichteten Begrenzungswandung 85 im übrigen Randbe­ reich der Abbrems-Reflektor-Mulde 82 begrenzt.

Die dom- bzw. kuppelförmige Ausnehmung 9 im Zylinderkopf 4 ist im Vergleich zu den oben genannten Ausführungsbeispielen etwas höher ausgebildet, wobei im Zenit der Ausnehmung 9 die Bohrung 13 zur Aufnahme der Einspritzdüse 14 eingebracht ist. Die Boh­ rung 11 für die Zündkerze 12 ist etwas tiefer als in der vorher­ gehenden Ausführungsbeispielen, im Bereich einer seitlichen Wan­ dung, eingebracht. Die Bohrung 13 der Einspritzdüse 14 bzw. die Einspritzdüse 14 ist gegenüber der vertikalen Achse 15 geneigt, so daß die auf dem Kolbenboden 8 senkrecht stehende Achse 15 und eine Längsmittelachse der Einspritzdüse 14 einen Winkel α ein­ schließen, der im Bereich zwischen 0° bis 40°, vorzugsweise zwischen 10° und 30° liegt. Durch diese Neigung der Einspritzdü­ se sind die Zündelektroden 21 der Zündkerze 12 im Bereich des Kegelmantels des kegelförmigen Kraftstoffstrahles 16 angeordnet. Diese Neigung der Einspritzdüse 14 ist bei Zweitaktmotoren vor­ zugsweise so ausgerichtet, daß der Kraftstoffstrahl in Richtung Frischgasgemisch im Zylinder bzw. weg vom Auslaßkanal gerichtet ist.

Bei dieser Anordnung der Einspritzdüse 14 und der Zündkerze 12 ist die Umlenkmulde 81 unterhalb der Einspritzdüse 14 und die Abbrems-Reflektor-Mulde 82 unterhalb der Zündelektroden 21 an­ geordnet. Die zur Abbrems-Reflektor-Mulde 82 benachbart angeord­ nete seitliche Flanke 81b der Umlenkmulde 81 zeigt mit einer geradlinigen, nach oben gerichteten Verlängerung auf die Zündelektroden 21 der Zündkerze 12.

Dieses dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung funktioniert wie folgt:
Ein primärer Kraftstoffstrahl 16a wird von der Einspritzdüse 14 kegelförmig in Richtung zur Doppelmulde 80a gespritzt.

Ein erster Teil des primären Kraftstoffstrahles 16a zerstäubt auf dem Weg zu der Einspritzdüse 14 zu dem Kolbenboden 8 und vermischt sich unmittelbar mit der im Brennraum befindlichen Luft.

Der übrige Kraftstoff trifft unter einem steilen Winkel γ von z. B. 70°-90° auf dem Kolbenboden 8 auf. Ein zweiter Teil des primären Kraftstoffstrahles 16a wird von der scharfkantig be­ grenzten Abbrems-Reflektor-Mulde 82 reflektiert, so daß er eine fein zerstäubte Kraftstoffwolke 70 bildet. Diese Kraftstoffwolke 70 ist im wesentlichen über dem Bereich der Abbrems-Reflektor- Mulde 82 angeordnet. Ein dritter Teil des primären Kraftstoff­ strahles 16a wird ungebremst von der Umlenkmulde 81 in den Brennraum 5 reflektiert. Der reflektierte, sekundäre Kraftstoff­ strahl 16b ist in Richtung zu den Zündeleketroden 21 gerichtet, wenn sich der Kolben 3 im Bereich des oberen Totpunktes befindet und reichert das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Bereich der Zünd­ elektroden 21 an.

Wird die Brennkraftmschine gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel bei geringer Last betrieben, so wird eine kleine Kraftstoffmenge eingespritzt, während sich der Kolben 3 im oberen Totpunkt be­ findet. Der eingespritzte Kraftstoff kommt als primärer Kraft­ stoffstrahl 16a mit den Zündelektroden 21 in Kontakt bzw. durch­ quert die zwischen den Zündelektroden 21 ausgebildete Funken­ strecke. Hierdurch kann der Kraftstoff am Primärstrahl 16a ge­ zündet werden, wobei durch die kurze zeitliche Distanz von Spritzbeginn und Zündung kleinste Kraftstoffmengen für geringe Lasten zu thermodynamisch günstigem Zeitpunkt verbrannt werden können, bevor die Kraftstoffwolke zu weiträumig verteilt ist.

Bei hohen Lasten wird hingegen eine im Bereich der Zündelektro­ den 21 ausgebildete Kraftstoffwolke 77 gezündet, die im wesent­ lichen mit Kraftstoff aus dem reflektierten, sekundären Kraftstoffstrahl 16b angereichert ist.

Bei hohen Lasten und großen Einspritzmengen steht somit ein großes Zeitintervall zwischen Einspritzbeginn und Zündung zur Verfügung. So kann in diesem Zeitintervall der Zündzeitpunkt nach rein thermodynamischen Gesichtspunkten gewählt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Doppelmulde 80a wird ohne Doppeleinspritzung der Kraftstoff im Brennraum und je nach Motorlast und Einspritzmenge bereichsweise unterschiedlich angereichert, wobei immer auch im Bereich der Zündelektrode 21 ein zündfähiges Kraftstoff/Luft-Gemisch eingestellt wird. Der Zündzeitpunkt kann sowohl bei kleinsten als auch bei mittleren Lasten, die vorzugsweise im Ladungsschichtungsverfahren erzeugt werden, alleine nach thermodynamischen Gesichtspunkten optimiert werden. Der Einspritzbeginn kann für die gewünschte Motorlast bzw. für die hierfür erforderliche Einspritzmenge optimiert werden, ohne daß auf eine sichere Entflammungsbedingung an der Zündelektrode 21 verzichtet werden muß, da hier zu allen in Frage kommenden Zeitpunkten eine Kraftstoffwolke mit fettem Gemisch und genügend kinetischer Energie der Tröpfchen vorliegt. Hierdurch und in Kombination mit dem nicht oder nur wenig ge­ drosselten Ansaugen der Frischluft werden ideale Brennzustände im Brennraum 5 erzielt, wodurch ein geringer Schadstoffausstoß bei hoher Last erzielt wird. Die erfindungsgemäße Brennkraftma­ schine wird vorzugsweise als Zweitakt-Brennkraftmaschine betrie­ ben.

Claims (22)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zu­ mindest einem Zylinder (2), in dem ein Kolben (3) beweglich angeordnet ist, wobei der Zylinder (2) durch einen Zylin­ derkopf (4) abgeschlossen ist und ein Brennraum (5) durch eine Innenfläche (6) des Zylinders (2), eine Innenfläche (7) des Zylinderkopfs (4) und einen Kolbenboden (8) des Kolbens (3) begrenzt ist, wobei während eines Arbeitszyklus Frischluft wenig gedros­ selt oder ungedrosselt angesaugt wird, so daß Abgas vom vorherigen Arbeitszyklus vollständig aus dem Brennraum (5) ausgetrieben wird, und Kraftstoff direkt in den Brennraum (5) eingespritzt wird, so daß er am Kolbenboden (8) reflek­ tiert wird, wobei ein im Brennraum (5) erzeugtes Kraft­ stoff-/Luftgemisch mittels einer Zündkerze (12), welche mit ihren Zündelektroden (21) im Bereich eines eingespritzten, noch nicht reflektierten, primären Kraftstoffstrahls (16a) angeordnet ist, am primären Kraftstoffstrahl (16a) gezündet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Brennkraftmaschine, die einen Kolben (3) aufweist, in dessen Kolbenboden (8) eine Mulde (17, 73, 80) eingebracht ist, wobei die Mulde (17, 73, 80) in dem Bereich angeordnet ist, in dem der eingespritzte Kraftstoff auf dem Muldenboden (8, 18, 74) auftrifft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff unter einem steilen Winkel γ von z. B. 70°-90° auf den Kolbenboden (8, 18, 74) auftrifft.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (17) durch eine Begrenzungswand (19) scharfkantig begrenzt ist, so daß der eingespritzte Kraftstoff durch die Mulde (17) abgebremst reflektiert und zerstäubt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderkopf (4) eine Einspritzdüse (14) angeordnet ist.

6. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit zu­ mindest einem Zylinder (2), in dem ein Kolben (3) beweglich angeordnet ist, wobei der Zylinder (2) durch einen Zylin­ derkopf (4) abgeschlossen ist und ein Brennraum (5) durch eine Innenfläche (6) des Zylinders (2), eine Innenfläche (7) des Zylinderkopfes (4) und einen Kolbenboden (8) des Kolbens (3) begrenzt ist, wobei in dem Kolbenboden (8) eine Mulde (73) eingebracht ist, wobei die Mulde (73) in einem Bereich angeordnet ist, in dem der eingespritzte Kraftstoff auf einem Muldenboden (74) auftrifft, wobei im Zylinderkopf (4) eine Einspritzdüse (14) und eine Zündkerze (12) ange­ ordnet sind und die Mulde (73) einen geneigten Muldenboden (74) aufweist, der in Richtung zur Zündkerze (12) abfällt und eine zur Zündkerze (12) zeigende Begrenzungswandung (75) aufweist, wobei der Übergang zwischen dem Muldenboden (74) und der Begrenzungswandung (75) als Rundung ausgebil­ det ist, so daß ein in die Mulde (73) eingespritzter Kraft­ stoff entlang dem Muldenboden (74) und der Begrenzungswan­ dung (75) ungebremst zurück in den Brennraum als sekundärer Kraftstoffstrahl (16b) reflektiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff unter einem steilen Winkel γ von z. B. 70° bis 90° auf dem Kolbenboden (8) auftrifft.

8. Verfahren nach Anspruch 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (17) durch eine Begrenzungswandung (19) scharf­ kantig begrenzt ist, so daß der eingespritzte Kraftstoff durch die Mulde (17) abgebremst, reflektiert und zerstäubt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das im Brennraum (5) erzeugte Kraftstoff-/Luftgemisch an dem sekundären Kraftstoffstrahl (16b) entzündet wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einspritzen des Kraftstoffs eine nach dem Energiespei­ cherprinzip, insbesondere dem Festkörperenergiespeicher­ prinzip arbeitende Einspritzvorrichtung verwendet wird.

11. Brennkraftmaschine mit zumindest einem Zylinder (2), in dem ein Kolben (3) beweglich angeordnet ist, wobei der Zylinder (2) durch einen Zylinderkopf (4) abgeschlossen ist und mit einem Brennraum (5), der durch eine Innenfläche (6) des Zylinders (2), eine Innenfläche (7) des Zylinderkopfes (4) und einen Kolbenboden (8) des Kolbens (3) begrenzt ist,
wobei im Zylinderkopf (4) eine Einspritzdüse (14) angeord­ net ist, die so ausgerichtet ist, daß Kraftstoff unter einem steilen Winkel auf den Kolbenboden (8) eingespritzt wird, und
im Kolbenboden (8) eine Mulde (80) ausgebildet ist, die in dem Bereich angeordnet ist, in dem der Kraftstoff auf den Kolbenboden (8) auftrifft,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mulde (80) einen Umlenkbereich und einen Abbrems-Re­ flektor-Bereich aufweist, wobei der Umlenkbereich so ausge­ bildet ist, daß in dem Umlenkbereich auftreffender Kraft­ stoff ohne wesentliche Abbremsung zurück in den Brennraum (5) reflektiert wird, und der Abbrems-Reflektor-Bereich zumindest bereichsweise scharfkantig begrenzt ist, so daß der in den Abbrems-Reflektor-Bereich auftreffende Krafttstoff abgebremst reflektiert und zerstäubt wird.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulde (80) als Doppelmulde (80a) ausgebildet ist, wobei der Umlenkbereich durch eine Umlenkmulde (81) und der Ab­ brems-Reflektor-Bereich durch eine Abbrems-Reflektor-Mulde (82) dargestellt wird.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelmulde (80a) in der Draufsicht etwa kreisförmig ausgebildet ist, wobei die Umlenkmulde (81) in der Drauf­ sicht eine schmale, etwa pillenförmige Form aufweist und der restliche Bereich der Doppelmulde (80a) von der Ab­ brems-Reflektor-Mulde (82) abgedeckt ist.

14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12 und/oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkmulde (81) im Querschnitt etwa V-förmig mit zwei seitlichen Flanken (81a, 81b) und einem abgerundeten Boden (81c) ausgebildet ist.

15. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbrems-Reflektor-Mulde (82) einen ebenflächigen, hori­ zontalen Muldenboden (83) aufweist, der angrenzend zur Umlenkmulde (81) von einer zur Umlenkmulde (81) allmählich ansteigenden Begrenzungswandung (84) und einer zum Mulden­ boden (83) vertikal ausgerichteten Begrenzungswandung im übrigen Randbereich der Abbrems-Reflektor-Mulde (82) be­ grenzt ist.

16. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkopf (4) eine dom- bzw. kuppelförmige Ausneh­ mung (9) aufweist, in deren Zenit die Einspritzdüse (14) angeordnet ist.

17. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zündkerze (12) im Bereich der Ausnehmung (9) unterhalb der Einspritzdüse (14) angeordnet ist, so daß die Zündkerze (12) mit ihren Zündelektroden (21) sowohl in einem nicht reflektierten, primären Kraftstoffstrahl (16a) als auch in einem von der Umlenkmulde (81) reflektierten sekundären Kraftstoffstrahl (16b) angeordnet ist.

18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 16 und/oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Längsmittelachse der Einspritzdüse (14) mit einer auf dem Kolbenboden (8) senkrecht stehenden Achse (15) einen Winkel (α) einschließt, der im Bereich zwischen 0°-40°, vorzugsweise zwischen 10° und 30° liegt.

19. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (14) so ausgebildet ist, daß der Kraft­ stoff in Form eines kegelförmigen Kraftstoffstrahls (16) abgespritzt wird.

20. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkmulde (81) mit einer seitlichen Flanke (81b), die benachbart zur Abbrems-Reflektor-Mulde (82) angeordnet ist, mit einer geradlinigen, nach oben gerichteten Verlängerung in Richtung zu Zündelektroden (21) der Zündkerze (12) zeigt.

21. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einspritzen des Kraftstoffes eine nach dem Energiespei­ cherprinzip, insbesondere Festkörperenergie-Speicherprin­ zip, arbeitende Einspritzvorrichtung vorgesehen ist.

22. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen eines oder meh­ reren der Ansprüche 11 bis 21 verwendet wird.