DE3690388C2 - Verfahren zur Versorgung einer Zweitaktmaschine mit Brennstoff und Zweitaktmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung einer funkengezündeten Zweitaktmaschine mit Brennstoff, der direkt in eine Verbrennungs­ kammer injiziert wird, sowie eine Zweitaktmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens.

Um die Abgasemissionen einer Verbrennungsmaschine innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen zu halten, ist es wünschenswert, den Brennstoff effektiv in der Verbrennungskammer zu verteilen. Ein Weg zur Reduzierung der Abgasemissionen besteht darin, den Brennstoff mit ausreichend Luft zu versorgen, um die vollständige Verbrennung des Brennstoffs sicherzustellen, so daß keine unver­ brannten Kohlenwasserstoffe in das Abgas gelangen.

Dieses Problem ist bei Zweitaktmaschinen besonders schwerwiegend wegen des späten Zeitpunktes der Schließung der Auslaßöffnung während des Kompressionstaktes. Wenn der Brennstoff eine beträchtliche Zeit vor dem endgültigen Schließen der Auslaßöffnung zugeführt wird, kann frischer Brennstoff durch den Auslaß entweichen, ins­ besondere bei niedrigen Maschinengeschwindigkeiten. Wenn jedoch die Injektion verzögert wird, bis die Auslaßöffnung vollständig geschlossen ist, ist die für die Brennstoffzuführung und die Erzielung einer effektiven Verteilung des Brenn­ stoffs in der Verbrennungskammer vor der Zündung verfügbare Zeit sehr begrenzt. Dies ist bei hohen Zuführgeschwindigkeiten von Bedeutung, insbesondere bei hohen Maschinen­ geschwindigkeiten, was zu einer weiteren Ein­ schränkung führt.

Die Eigenschaften der Zerstäubung der aus einer Einspritzdüse in die Verbrennungskammer gelangen­ den Brennstofftröpfchen haben auch eine erhebliche Bedeutung für die Wirksamkeit der Verbrennung des Brennstoffs, welche ihrerseits die Stabilität des Maschinenbetriebs, die Brennstoffausnutzung und die Abgasemissionen beeinflußt.

Um diese Eigenschaften in einer funkengezündeten Maschine zu optimieren, betreffen die gewünschten Merkmale des Zerstäubungsmusters des aus der Einspritzdüse austretenden Brennstoffs eine kleine Größe der Brennstofftröpfchen, ein ge­ steuertes Eindringen des zerstäubten Brennstoffs in die Verbrennungskammer, und, wenigstens bei niedrigen Maschinenlasten, eine relativ fette Mischung in der Nähe der Zündkerze. Bei der Steuerung der schädlichen Komponenten im Abgas ist es wünschenswert, die Verteilung des Brennstoffs in der Gasladung innerhalb der Verbrennungskammer zu steuern, um eine Anzahl verschiedener Parameter zu beeinflussen. Im Idealfall sollte der Brennstoff so in der Gasladung verteilt werden, daß die resultie­ rende Brennstoff/Luft-Mischung an der Zündkerze leicht entzündbar ist, der gesamte Brennstoff mit ausreichend Luft versorgt wird, um eine vollständige Verbrennung zu erreichen, und die Flamme eine ausrei­ chende Temperatur besitzt, daß sie sich auf den ge­ samten Brennstoff ausdehnt, bis sie erlischt. Es müs­ sen auch noch andere Faktoren berücksichtigt werden, wie die Verbrennungstemperaturen, die eine Detonation fördern können, oder die Bildung unerwünschter Ver­ unreinigungen im Abgas.

Die DD-PS 2 28 585 betrifft eine gemischverdichtete Zweitakt-Einspritzbrennkraftmaschine, bei der eine einzige in der Zylinderwand angeordnete Einspritzdüse unterhalb des unteren Totpunkts liegt. Diese Ein­ spritzdüse richtet den Kraftstoffstrom in die Rich­ tung der Zündeinrichtung im Zylinder, das heißt der größte Teil des Kraftstoffstrahls wird auf die Brenn­ raumwand aufgetragen, durch die thermisch hochbela­ stete Brennraumwand abgedampft und durch die rotie­ rende Drallströmung der Zündkerze zugeführt. Die Ein­ spritzvorrichtung liegt ungefähr in der gleichen Höhe oder gerade unter der Auslaßöffnung.

Die DE-PS 7 43 100 beschreibt eine selbstzündende, luftverdichtende Viertaktbrennkraftmaschine mit einer Einspritzdüse, die am Umfang des Zylinders in unmit­ telbarer Nähe eines Kanals angeordnet ist, der einen Kolbenbrennraum mit einer Zündkammer verbindet. Die Einspritzdüse ist an der Verzweigungsstelle zu der Zündkammer und den in zwei Teilräume unterteilten Kolbenbrennraum vorgesehen. Sie erzeugt drei Strah­ len, von denen je einer in die Teilräume des Kolben­ brennraums und der dritte durch den Kanal in die Zündkammer gerichtet ist. Die in die einzelnen Brenn­ raumteile eingespritzten Kraftstoffmengen sind den Rauminhalten dieser Kammer proportional.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lieferung von Brennstoff zu einer Verbrennungsmaschine zu schaffen, das bzw. die zum Erreichen des erforderlichen Grades der Brennstoffausnutzung und der Abgasemissionen bei­ tragen.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren zur Versorgung einer funkengezündeten Zweitaktmaschine mit Kraft­ stoff erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkma­ len des Oberbegriffs gelöst. Durch die in den Unter­ ansprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Die Lenkung des Kraftstoffs in den Verbrennungs­ raum im Zylinderkopf schafft eine relativ fette Kraftstoff/Luft-Mischung in der Nähe der Zündkerze, um eine leichte Zündung der Zylinderladung sicherzustellen. Der quer durch den Zylinder gerichtete Kraftstoff gelangt zu der frischen Luftladung, die durch die Übertragungsöffnungen in den Zylinder eintritt, und damit zu der maximalen Luftmenge, wodurch ein wirksamer Mischvorgang für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs erreicht wird.

Auch die Lenkung eines Teils des Kraftstoffs nach unten setzt diesen der Hochtemperatur­ stirnfläche des Kolbens aus, um die Abkühl­ wirkung des eintretenden Kraftstoffs auf die Luftladung herabzusetzen.

Der Grad des Eindringens der Brennstoffströme in die Verbrennungskammer kann durch Regu­ lierung des Druckes des zur Düse gelieferten Brennstoffs geregelt werden. Eine Erhöhung des Brennstoffzuführungsdruckes kann erfolgen, um den Grad des Eindringens des Brennstoffs von der Düse in die Verbrennungskammer zu erhöhen. Die Änderung des Druckes der Brennstoff­ zuführung kann in Abhängigkeit von einer Änderung der Maschinengeschwindigkeit vorge­ nommen werden. Zweckmäßig wird der Druck der Brennstoffzuführung um einen vorbestimmten Betrag erhöht, wenn die Maschine eine gewählte Geschwindigkeit erreicht.

In einer Ausführungsform ist das Verteilungsmuster des Brennstoffs von der Einspritzdüse für alle Brennstoffgeschwindigkeiten gleichartig. In anderen Ausführungsformen ändert sich das Brennstoffverteilungsmuster erheblich bei Änderung der Maschinengeschwindigkeit und der Lastbedingungen.

Wenn die Injektion wie beschrieben durch die Zylinderwand und nicht wie üblich durch den Zylinderkopf erfolgt, wird davon ausgegangen, daß die Injektion beendet ist, bevor die Ein­ spritzdüse beim Hochgehen des Kolbens im Zylinder während des Kompressionstaktes bedeckt wird.

Die Einspritzdüse befindet sich daher vorzugs­ weise über der Höhe der Oberkante der Auslaß­ öffnung; diese Oberkante bestimmt den Zeitpunkt des Schließens der Auslaßöffnung im Maschinenzyklus.

Es ist festzustellen, daß in einer Zweitakt­ maschine die Übertragungsöffnungen so liegen, daß sie zur gleichen Zeit und vorzugsweise nicht später schließen als die Auslaßöffnung.

Es wurde auch als wünschenswert gefunden, die Zeitspanne der Injektion in Beziehung zur Schließung der Auslaßöffnung zu variieren.

Wie bereits erwähnt wurde, haben viele Zweitakt­ maschinen zwei oder mehr Übertragungsöffnungen, die in Umfangsrichtung im Abstand voneinander in der Zylinderwand angeordnet sind, und diese Anordnung unterstützt die Verteilung der frischen Ladung im Zylinder und das Entfernen der Abgase aus allen Bereichen des Zylinders. Die Anordnung der Übertragungsöffnungen kann variieren von einer einzelnen Öffnung, die gewöhnlich diametral gegenüber der Auslaßöffnung angeordnet ist, bis zu einer Mehrzahl von Öffnungen, die sich ge­ wöhnlich in einem Bogen von 180° in der Zylinder­ wand gegenüber der Auslaßöffnung befinden. Um den Austritt der Abgase zu fördern, sind die Übertragungsöffnungen so geformt, daß sie der eintretenden Luft eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung zum Zylinderkopf hin erteilen.

Wenn sich somit die Einspritzdüse im Zylinderkopf befindet, bewegen sich die eintretende Luft und der injizierte Brennstoff im allgemeinen in entgegengesetzten Richtungen. Die Verteilung des Brennstoffs im Zylinder wird dadurch be­ hindert, und insbesondere ist der Fluß des Brennstoffs zu den Übertragungsöffnungen infolge der Gegenströmung der eintretenden Luft behindert, so daß sich eine niedrige Brennstoffdichte in unmittelbarer Nähe der Übertragungsöffnungen ergibt. Der Zylinderbereich in der Nähe der Übertragungsöffnungen ist zwangsläufig sauerstoff­ reich, so daß, wenn er nicht ausreichend mit Brennstoff versorgt wird, der Sauerstoffträger nicht voll ausgenutzt wird.

Angesichts dieser Überlegungen ist somit die bevorzugte Brennstoffinjektionsstelle in der Zylinderwand oberhalb der Übertragungsöffnung(en) und zwischen der Höhe der Auslaßöffnung und dem Zylinderkopf. Dies ergibt, daß der hauptsächliche Teil des zugeführten Brennstoffs in den Weg bzw. die Wege der durch die Über­ tragungsöffnungen in den Zylinder eintretenden Luft gelenkt wird.

Mit dieser Anordnung des Eintritts von Brennstoff und Luft auf der selben Zylinderseite wird der Brennstoff bei hoher Maschinengeschwindigkeit in der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit effektiv durch den Zylinder getragen, wobei auch eine Verteilung der Mischung im Ver­ brennungsbereich des Zylinders erreicht wird. Diese Anordnung führt somit zu einer homogenen Ladung im Verbrennungsbereich, was für hohe Geschwindigkeiten und das Lastverhalten wünschens­ wert ist.

Der in den Verbrennungsraum des Zylinderkopfes gelenkte Brennstoffstrom hat zusätzlich den Vorteil einer geschichteten Brennstoffladung im Bereich der Zündung der Verbrennung, was zu einem verbesserten Teillastverhalten führt, ohne daß das Hochgeschwindigkeitslastverhalten beeinträchtigt wird.

Untersuchungen haben gezeigt, daß das von der Einspritzdüse ausgehende Zerstäubungsmuster so sein sollte, daß zwischen etwa 30 und 60% der injizierten Brennstoffmenge über die durch die Achse der Einspritzdüse gehende diametrale Zylinderebene und der Rest unter diese Ebene gerichtet werden. Die tatsächliche Brennstoff­ verteilung variiert zwischen verschiedenen Maschinen und den Betriebsanforderungen. Ein Ausgleich wird auf der Basis gewählt, daß bei niedrigen Brennstoffgeschwindigkeiten ein hoher Brennstoffanteil nach oben und bei hohen Brennstoffgeschwindigkeiten ein hoher Anteil nach unten gelenkt werden sollte. Bei Maschinen, die hauptsächlich im Hochlastbereich arbeiten, wie Bootsaußenbordmaschinen, ist die Verteilung vorzugsweise so, daß ein Drittel des Brennstoffs aufwärts und zwei Drittel abwärts gerichtet werden. Im allgemeinen sollten 33 bis 50% des Brennstoffs oberhalb der genannten diametralen Ebene zugeführt werden. Der Brennstoff kann in Form von drei in gleichen Winkelabständen um die Achse der Düse angeordneten Strömen austreten, wobei nur ein Strom über die Düsenachse gerichtet ist. Jeder Strom kann in einer im allgemeinen kegeligen Form austreten mit einem eingeschlossenen Winkel von etwa 30°.

Es kann angenommen werden, daß unterschiedliche Brennstoffverteilungen mit unterschiedlicher Winkelbeziehungen zwischen den einzelnen Strömen und unterschiedlichen Kegelwinkeln des Stromes erhalten werden können. Normalerweise sind jedoch ein Strom über die Achse der Düse und die beiden anderen Ströme mit einem gegenseitigen Winkelabstand unter die Achse der Düse gerichtet, um die erforderlichen Proportionen für den Brennstoff ober- und unterhalb der diametralen Zylinderebene durch die Düsenachse zu erhalten. Der Winkel­ abstand zwischen den beiden nach unten ge­ richteten Strömen an der Düse kann zweckmäßig zwischen 90° und 150° variieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Düse umfaßt auch einen weiteren Strom, der axial aus der Düse austritt und dessen Stärke etwa 5% der gesamten Brennstoffmenge entspricht.

Die beschriebene Aufteilung in drei Brennstoff­ ströme wird zweckmäßig erreicht durch eine ventilgesteuerte Öffnung zur Einstellung der Brennstoffzuführungszeit im Maschinenzyklus und durch eine der Öffnung stromabwärts nach­ folgende Drosselplatte. Die Drosselplatte besitzt eine Reihe von Öffnungen zur Aufteilung des Brennstoffs in die drei in beschriebener Weise gerichteten Ströme. Alternativ hierzu ist es möglich, den Brennstofffluß durch besondere Ausbildungen eines Ringventils zu steuern.

Bei diesen Konstruktionen können unterschiedlich starke Wandhaftungen auftreten, wenn der Brenn­ stoff in den Zylinder eintritt. Die Wandhaftung ist die Eigenschaft einer über eine Oberfläche fließenden Flüssigkeit, der Kontur dieser Ober­ fläche zu folgen anstatt sich von dieser zu lösen, wenn eine abrupte Richtungsänderung der Ober­ fläche erfolgt.

Die Wandhaftung an der Einspritzdüse kann vorteilhaft dadurch ausgenutzt werden, daß ein Teil des durch die Düse fließenden Brennstoffs entlang der die Düsenöffnung(en) umgebenden Oberfläche fließt. Bei einer Konstruktion, bei der die Einspritzdüse in der Zylinderwand angeordnet ist, kann von der Wandhaftung Gebrauch gemacht werden, indem ein Teil des durch die Düse zugeführten Brennstoffs entlang der oder im wesentlichen parallel zur Zylinderwand fließt, d. h. im allgemeinen senkrecht zur Düsenachse. Dieser Fluß ist besonders vorteilhaft bei der Vorbereitung der Mischung bei Hochgeschwindigkeits-Last­ bedingungen, da es unter diesen Bedingungen wünschenswert ist, der eintretenden Luft Brennstoff möglichst nahe an den Übertragungs­ öffnungen zuzuführen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbei­ spielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines einzelnen Zylinders und Kolbens einer Zweitakt­ maschine mit einer Kurbelgehäuse­ kompression zur Einspeisung in den Zylinder,

Fig. 2 einen diametralen Schnitt durch die Maschine nach Fig. 1 in der Ebene 2-2,

Fig. 3 eine Dar­ stellung eines Brennstoffzer­ stäubungsmusters gesehen in Richtung der Einspritzdüsen­ achse,

Fig. 4 ein Diagramm entsprechend Fig. 3 der Brennstoffzer­ stäubung gesehen in Richtung A nach Fig. 3,

Fig. 5 und 6 polare Diagramme des Brennstoff­ mengenflusses im Zylinder aufge­ löst in die Richtungen gemäß den Fig. 3 bzw. 4,

Fig. 7 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Brennstoff­ dosier- und Einspritzvorrichtung, die geeignet ist zur Verwendung in der Maschine nach Fig. 1 und 2, mit den zugehörigen Hilfsein­ richtungen,

Fig. 8 eine teilweise geschnittene Ansicht des Ver­ brennungskammerbereichs einer Maschine, die derjenigen gemäß Fig. 1 und 2 ähnlich ist, und die die Düse nach den Fig. 9 und 10 enthält,

Fig. 9 und 10 eine weitere Ausbildung einer Düse, die verwendet werden kann zur Erzielung einer gewünschten Brennstoffverteilung in der Verbrennungskammer,

Fig. 11 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Ringventils mit zugeordnetem Sitz, das als Einspritzdüse für die Einspritz­ vorrichtung nach Fig. 7 ver­ wendbar ist, und

Fig. 12 einen Querschnitt durch den Kopf des Ventils nach Fig. 11.

Die Maschine nach den Fig. 1 und 2 ist im wesentlichen von an sich bekannter Konstruktion. Eine Ver­ brennungskammer 125 wird gebildet durch einen Zylinder 110, einen Zylinderkopf 121 und einen Kolben 112, der über eine Kolbenstange 113 mit einer Kurbelwelle 114 in einem Kurbelgehäuse 111 verbunden ist. Das Kurbelgehäuse 111 weist mit üblichen Klappenventilen 126 versehene Luft­ einlaßöffnungen 115 sowie drei Durchgänge 116 auf, die das Kurbelgehäuse 111 mit zugeordneten Über­ tragungsöffnungen, nämlich einer zentralen Über­ tragungsöffnung 118 und zwei seitlichen Über­ tragungsöffnungen 117 und 119 verbinden.

Die Übertragungsöffnungen 117 bis 119 sind jeweils in der Wand des Zylinders 110 normalerweise mit jeweils ihrer oberen Kante in der gleichen dia­ metralen Ebene des Zylinders ausgebildet. Eine Auslaßöffnung 120 ist im wesentlichen gegenüber der zentralen Übertragungsöffnung 118 in der Wand des Zylinders 110 ausgeformt. Die obere Kante der Auslaßöffnung 120 kann gering­ fügig über der diametralen Ebene der oberen Kanten der Übertragungsöffnungen 117 bis 119 liegen, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist.

Der Zylinderkopf 121 besitzt einen zentralen Verbrennungsraum 122, in welchen sich eine Zünd­ kerze 123 erstreckt. Eine Brennstoff-Einspritz­ düse 124 befindet sich direkt über der zentralen Übertragungsöffnung 118 in der Zylinderwand. Die Einspritzdüse 124 ist im vorliegenden Beispiel in der Weise über der oberen Kante dieser Über­ tragungsöffnung 118 angeordnet, daß ihre Achse etwa den halben bis dreiviertel Abstand von dieser oberen Kante bis zur Oberkante des Zylinders von der oberen Kante entfernt ist. Die Einspritzdüse 124 ist im allgemeinen so gelegen, daß sie nicht vollständig vom Kolben 112 bedeckt ist, bis dieser in einer Position ist, die einer Stellung der Kurbelwelle zwischen 60° und 70° vor dem oberen Totpunkt des Kolbens entspricht. Es ist davon auszugehen, daß nach dem oberen Totpunkt die Einspritzdüse 124 bei einer entsprechenden Stellung des Kolbens 112 und der Kurbelwelle 114 unbedeckt ist. Es ist auch ein Zeitraum vorhanden, in dem die Einspritz­ düse 124 durch den Kolben 112 fortschreitend verdeckt und freigegeben wird. Dieser Zeitraum entspricht typischerweise einem Drehwinkel der Kurbelwelle 114 von etwa 10°.

Es wurde festgestellt, daß der Zeitpunkt der Brennstoffinjektion relativ zur Schließung der Auslaßöffnung 120 ein bedeutsamer Faktor für die Erlangung des gewünschten Mischungs­ grades des Brennstoffs und der eintretenden Luft und das Vermeiden eines übermäßigen Brennstoffverlustes über die Auslaßöffnung ist. Eine wirksame Mischung des Brennstoffs mit der Luft und eine Begrenzung des Brennstoff­ verlustes über die Auslaßöffnung verbessern die Brennstoffausnutzung und reduzieren die Emission von Kohlenwasserstoffen.

In dieser Hinsicht ist es wünschenswert, den Injektionszeitpunkt zu steuern, so daß der Mittelpunkt der Injektionsperiode im wesent­ lichen an einem gleichbleibenden Zeitintervall vor dem Schließen der Auslaßöffnung liegt. Es wird angenommen, daß dieses Zeitintervall so sein sollte, daß es von der Geschwindigkeit der eintretenden Luft und dem Durchmesser des Zylinders abhängt, wobei dieser dem Abstand zwischen der Übertragungsöffnung und der Auslaßöffnung zugeordnet ist. Untersuchungen an einer Zweizylinder-Außenbordbootsmaschine mit Zylinderbohrungen von 80 mm haben gezeigt, daß das Zeitintervall vom Mittelpunkt der Injektion bis zum Schließen der Auslaßöffnung über den normalen Geschwindigkeitsbereich von 2000 bis 5000 Umdrehungen pro Minute im Betrieb etwa 3 ms betragen sollte. Am unteren Ende des Geschwindigkeitsbereichs sollte das Zeitintervall möglichst abnehmen, zum Beispiel auf etwa 2 ms bei 1000 Umdrehungen pro Minute.

Typische Einspritzzeiten bei den vorgenannten untersuchten Motoren mit einer Schließung der Auslaßöffnung bei 262,5° nach dem oberen Tot­ punkt waren wie folgt (alle Zeiten sind in Grad nach dem oberen Totpunkt angegeben):

In den Fig. 3 und 4 ist eine typische Verteilung bei der Brennstoffzerstäubung um die Achse der Einspritzdüse bzw. in bezug auf die Zylinder­ wand gezeigt. Die Einspritzdüse 124 ist so ange­ ordnet, daß drei Brennstoffhauptströme mit Mittellinien 30, 31 und 32 entstehen. Der Strom 31 ist aufwärts gerichtet, um Brennstoff in den Verbrennungsraum 122 des Zylinderkopfes zu liefern, und folglich ist die Richtung dieses Stroms im wesentlich durch die relativen Positionen des Verbrennungsraums 122 und der Zündkerze 123 zur Einspritzdüse 124 bestimmt. Die Mittel­ ebene des Verbrennungsraums 122 fällt mit der axialen Ebene des Zylinders durch die Mitte der Auslaßöffnung 120 und die zentrale Über­ tragungsöffnung 118 zusammen. Die Achse der Einspritzdüse 124 befindet sich ebenfalls in dieser Ebene. Die beiden abwärts gerichteten Ströme 30 und 32 sind symmetrisch zu der vor­ genannten axialen Ebene und die Mittellinie oder Achse jedes Zerstäubungsstroms ist vorzugsweise innerhalb eines Kegels angeordnet, der einen Winkel zwischen 90° und 150° einschließt und der sich von der Spitze der Einspritzdüse erstreckt. Der Kegel braucht nicht koaxial mit der Achse der Einspritzdüse zu sein, und er kann zu dieser in der axialen Ebene geneigt sein. Die Winkel β und γ gemäß Fig. 4 können jeweils zwischen 15° und 60° variieren, wobei die Wahl dieser Winkel von der jeweils verwendeten Maschine abhängt. Die genannten Winkel sind wie in den Figuren dargestellt auf die Ebenen projiziert.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Polardiagramme der Brennstoffmengenverteilung im Zylinder, wobei die drei Brennstoffströme wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt angeordnet sind. Die Länge des Vektors von der Mitte der Einspritzdüse bis zum Zielpunkt in jeder Richtung stellt die Brennstoffdichte im Zylinder in dieser Richtung dar.

Die in Fig. 1 gezeigte Einspritzdüse ist ein integraler Teil eines Brennstoffdosier- und -Einspritzsystems vorzugsweise des Typs, bei dem in Luft mitgeführter Brennstoff zur Ver­ brennungskammer der Maschine durch den Druck der Luftzuführung geliefert wird. Eine besondere Form einer Brennstoffdosier- und -Einspritz­ einrichtung ist in Fig. 7 wiedergegeben.

Diese Einrichtung besitzt eine geeignet verfügbare Dosiervorrichtung 130 wie einen Kraftfahrzeug-Dros­ selkörperinjektor, die mit einem eine Haltekammer 132 enthaltenden Injektorkörper 131 gekoppelt ist. Brennstoff wird aus einem Brennstoffreservoir 135 gezogen und durch eine Brennstoffpumpe 136 über einen Druckregler 137 durch eine Brennstoffeinlaßöffnung 133 zur Dosiervorrichtung 130 geliefert. Die in be­ kannter Weise arbeitende Dosiervorrichtung 130 dosiert in der Haltekammer 132 eine Brennstoff­ menge entsprechend dem Brennstoffbedarf der Maschine. Zur Dosiervorrichtung gelieferter überschüssiger Brennstoff wird über eine Brennstoffrückführöffnung 134 zum Brennstoff­ reservoir 135 zurückgeführt. Die besondere Konstruktion der Brennstoff-Dosiervorrichtung 130 ist für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich, so daß jede geeignete Vorrichtung verwendet werden kann.

Im Betrieb wird die Haltekammer 132 durch von einer Luftquelle 138 über einen Druckregler 139 durch eine Lufteinlaßöffnung 145 in den Injektorkörper 131 gelieferte Luft unter Druck gesetzt. Ein Einspritzventil 143 wird betätigt, damit unter Druck stehende Luft die dosierte Menge Brennstoff durch eine Ein­ spritzdüse 142 in eine Verbrennungskammer der Maschine austreiben kann. Das Einspritzventil 143 ist ein Ringventil, das sich nach innen zur Verbrennungskammer öffnet, d. h. außerhalb der Haltekammer.

Das Einspritzventil 143 ist über einen Ventil­ schaft 144, der durch die Haltekammer 132 hin­ durchgeht, mit dem Anker 141 eines innerhalb des Injektorkörpers 131 angeordneten Elektromagneten 147 gekoppelt. Das Einspritzventil 143 wird durch eine Scheibenfeder 140 in die geschlossene Stellung vorgespannt und wird durch Erregung des Elektromagneten 147 geöffnet. Die Er­ regung des Elektromagneten 147 wird in zeitlicher Beziehung zum Maschinenzyklus gesteuert, um die Lieferung von Brennstoff aus der Haltekammer 132 in eine Verbrennungs­ kammer der Maschine zu bewirken.

Die Erregung des Elektromagneten 147 wird durch einen geeigneten elektronischen Prozessor 150 in zeitlicher Beziehung zum Maschinenzyklus geregelt. Der Prozessor 150 erhält ein Eingangs­ signal von einem Geschwindigkeitsmesser 151, das die Maschinengeschwindigkeit anzeigt und auch einen Bezugspunkt im Maschinenzyklus identifiziert, in dessen Abhängigkeit Operationen in zeitlicher Beziehung zum Maschinenzyklus durchgeführt werden. Der Prozessor 150 erhält auch ein Signal von einem Lastmesser 152, das die Luftströmungsgeschwindigkeit zum Maschinenluftzuführungssystem anzeigt. Der Prozessor 150 ist so programmiert, daß er aus dem Luft­ strömungsgeschwindigkeitssignal die Lastan­ forderung an die Maschine bestimmt.

Der Prozessor 150 ist weiterhin so programmiert, daß er aus den Geschwindigkeits- und Lastbe­ dingungen der Maschine den erforderlichen Zeit­ punkt der Injektion des Brennstoffs in die Verbrennungskammer bestimmt.

Der Prozessor 150 enthält zweckmäßig einen Vielpunkt­ abbildung, der den erforderlichen Injektionszeitpunkt für einen Bereich von Maschinenlasten und -geschwindigkeiten bestimmt, welche durch Untersuchungen festgestellt wurden, um die geforderten Maschinenleistungs- und -abgas­ emissionswerte zu erhalten. Der Prozessor ist in gleicher Weise programmiert, um aus einem Vielpunktabbildung den erforderlichen Zündzeitpunkt der Maschine in Beziehung zur Maschinenlast und -geschwindigkeit zu bestimmen, wie vorstehend beschrieben ist.

Der Prozessor 150 liefert geeignete Signale zu einem Injektorbetätigungselement 153 und einem Zündbetätigungselement 154 entsprechend den bestimmten Werten, um den Elektromagneten 147 zum erforderlichen Zeitpunkt für die Brennstoff­ injektion zu erregen und die Zündkerze 123 zum erforderlichen Zündzeitpunkt zu aktivieren. Die allgemeine Konstruktion des für die vor­ liegende Anwendung geeigneten Last- und Ge­ schwindigkeitsmessers ist an sich bekannt, ebenso wie Prozessoren zur Durchführung der beschriebenen Operationen.

Fig. 9 ist ein Querschnitt und Fig. 10 eine Vorderansicht einer Drosselplatte zum Einsatz in der Zylinderwand der Maschine, um die ge­ wünschte Brennstoffverteilung im Zylinder zu erhalten. Diese Drosselplatte wird in Verbindung mit einem konventionellen Ringventil, wie in Fig. 7 gezeigt, verwendet, welches den zeitlichen Ablauf und die Menge der Brennstoffzuführung zur Drosselplatte reguliert. Die Drosselplatte ist an das Ende des Injektorkörpers 131 ange­ paßt, um das Einspritzventil 143 zu umschließen.

Brennstoff wird vom Ventil 143 zur zentralen Bohrung 50 geliefert und tritt aus der Drossel durch drei Öffnungen 51, 52 und 53 gleichen Durchmessers aus. Die Öffnungen sind um die Achse der Bohrung 50 in gleichen Winkelabständen angeordnet, obgleich die Achse der Öffnung 52 um 50° gegenüber der Achse der Bohrung geneigt ist, während die Achsen der Öffnungen 51 und 53 um 45° hier­ gegen geneigt sind. In einer abgewandelten Form kann die Drossel eine axiale Öffnung 54 besitzen, wie durch strichlierte Linien ange­ deutet ist. Diese axiale Öffnung ist im Durch­ messer wesentlich kleiner als die Öffnungen 51, 52 und 53, so daß etwa 5% des gesamten Brennstoffs durch diese austreten.

Die vorbeschriebene Drossel gemäß den Fig. 9 und 10 in der abgewandelten Ausführung mit der Öffnung 54 kann eingesetzt werden, um eine Brennstoffverteilung in der Maschinenver­ brennungskammer entsprechend Fig. 8 zu erhalten. Die Lage der Einspritzdüse 124 ist so gewählt, daß bei den besonderen Mustern von Brennstoff­ strömen, die durch die Anordnung der Öffnungen in der Drossel geschaffen werden, diese Ströme nicht mit hoher Geschwindigkeit auf die ver­ schiedenen Oberflächen der Verbrennungskammer auftreffen und eine übermäßige Benetzung dieser Oberflächen mit Brennstoff bewirken. Ein anderer die Lage der Einspritzdüse 124 beeinflussender Faktor ist darin zu sehen, daß eine angemessene Zeit vorgesehen sein muß, um die Injektion des Brennstoffs zu beenden, bevor der Kolben sich zu nahe an den unteren der aus der Düse austretenden Brennstoffströme heranbewegt hat. Vorzugsweise ist die Einspritzdüse so angeordnet, daß der Kolben sich nicht mit den Brennstoffströmen kreuzt, bevor die letzten 90° der Kurbel­ bewegung des Kolbenkompressionstaktes erreicht sind.

Wie Fig. 8 zeigt, ist ein Brennstoffstrom 60 von der Einspritzdüse 124 aufwärts durch den Zylinder gerichtet, um Brennstoff zum Ver­ brennungsraum 122 zu liefern. Der Strom 60 ist so ausgebildet, daß er nicht auf die Zündkerze 123 auftrifft, da dies eine übermäßige Ablagerung auf dieser bewirken würde. Jedoch schafft der Strom 60 eine brennstoffreiche Wolke im Verbrennungsraum 122, die durch die Zündkerze leicht entzündbar ist.

Ein Brennstoffstrom 61 ist durch den Zylinder zu dessen Auslaßöffnung hin gerichtet. Zwei Brennstoffströme 62 divergieren zu beiden Seiten des Stroms 61, um Brennstoff zu den jeweiligen Seitenbereichen des Zylinders zu liefern. Diese Ströme 62 sind auch nach unten unter die diametrale Ebene des Stroms 61 zum Scheitel 108 des Kolbens 112 hin gerichtet. Die Ströme 62 liefern Brennstoff zu der durch die seitlichen Übertragungsöffnungen einer Maschine mit Mehrfach-Übertragungsöffnungen eintretenden Luft und zu der sauerstoff­ reichen Übertragungsregion, wenn sich der Kolben nach oben bewegt, wobei durch die hierbei auftretenden Turbulenzeffekte die Zylinderfüllung in den oberen Teil des Zylinders gedrängt wird.

Die Fig. 11 und 12 sind Ansichten einer geeigneten alternativen Konstruktion eines Ringventils 143 und des mitwirkenden Ventil­ sitzes der Einspritzdüse 142 für den Einsatz in den Injektorkörper 131. Diese Alternative erzeugt ein Zerstäubungsmuster mit zwei Strömen anstelle der vorbeschriebenen drei oder vier Ströme.

Eine Öffnung 49 hat eine sich nach außen er­ weiternde Mündung 35 mit einer Sitzfläche 29, die mit der Sitzfläche 32 für das Ventil 33 zusammenwirkt. Unmittelbar anschließend an die Mündung 35 folgt nach innen ein zylindrischer Hals 36, der bei 37 in den axialen Brennstoff­ zuführungs-Durchgang 38 übergeht. Das Ringventil 33 hat einen konventionellen konischen Kopf 39, der mit der konischen Mündung 35 zusammenwirkt, und einen zylindrischen Schaft 40. Zwischen dem Kopf 39 und dem Schaft 40 befindet sich ein zylindrischer Stempel 41 mit einem konischen Abschnitt 42, der in den Schaft 40 übergeht. Der Stempel 41 und der Abschnitt 42 enthalten Auskerbungen 43 und 44, um Bereiche mit höherem Durchflußquerschnitt zwischen dem Stempel 41 und dem Hals 36 zu schaffen. Die Auskerbungen 43 und 44 sind durch einen in Umfangsrichtung schmalen axialen Steg 45 und einen in Umfangs­ richtung breiten axialen Steg 46 des Stempels 41 voneinander getrennt.

Das in die Zylinderwand eingesetzte Ventil ist so positioniert, daß der breite Steg 46 nach oben zum Zylinderkopf 121 hin und der schmale Steg 45 am tiefsten liegen. Als Ergebnis der zusätzlichen Beschränkungen des Brennstoff­ flusses in den Bereichen der Stege 45 und 46 liefert dieses Ventil durch die Auskerbungen 43 und 44 einen stärkeren Brennstofffluß in den Zylinder in Abwärtsrichtung als in Aufwärtsrichtung. Auch wenn die Auskerbungen nach außen orientiert sind, wird der Fluß hierdurch zu beiden Seiten des Zylinders hin gerichtet.

Andere Konfigurationen von Ventilen und deren Sitzen können zur Erzielung der erforderlichen Verteilung des in den Maschinenzylinder ein­ gespritzten Brennstoffs verwendet werden. Im allgemeinen ist eine Ausbildung von Ventil und Ventilsitz gefordert, bei denen jeweils Ströme von Brennstofftröpfchen in bezug auf die diametrale Ebene des Zylinders am Ventil nach oben und nach unten gerichtet sind, wobei ein geeignetes Verhältnis der Brennstoffmengen in den jeweiligen Strömen einzuhalten ist.

Die Richtung und die Form der von der Einspritz­ düse ausgehenden Brennstofftröpfchenströme werden durch die Bedingungen innerhalb der Maschinenverbrennungskammer, in die der Brennstoff injiziert wird, bestimmt, wie die Richtungen und Geschwindigkeiten der bewegten Gasladung in der Verbrennungskammer. Diese Bedingungen und andere dynamische Einflüsse schließen eine genaue Bestimmung der Richtung und der Form der Brennstoffströme unter tatsächlichen Betriebs­ bedingungen aus. Demgemäß sind die Merkmale von Richtung und Form der Brennstofftröpfchenströme hier so dargestellt, wie sie in stillstehender Luft bei Atmosphärendruck entlang der in den Figuren gezeigten Bewegungsbahnen bestimmt wurden.

Es wurde die Veränderung des Grades des Ein­ dringens des Brennstoffstromes in die Ver­ brennungskammer in Abhängigkeit von der Maschinen­ last beschrieben und dies kann durch Veränderung des Druckes des die Injektion bewirkenden fließ­ fähigen Mediums erreicht werden. Es kann hierzu in geeigneter Weise der Druck des Gases, in dem der Brennstoff mitgeführt wird, verändert werden, wobei der Brennstoff durch den Druck des Gases in die Verbrennungskammer injiziert wird.

Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf Zweitakt-Verbrennungsmaschinen für alle Zwecke und insbesondere vorteilhaft für die Brennstoff-Aus­ nutzung und die Kontrolle der Abgasemissionen bei Maschinen für oder in Fahrzeugen wie Auto­ mobilen, Motorrädern und Booten, wie zum Beispiel Außenbordmaschinen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Versorgung einer funkengezündeten Zweitaktmaschine mit Kraftstoff mit einem Zylinder (110), in welchem eine brennbare Ladung vorberei­ tet wird, und einem Zylinderkopf (121), der ein Ende des Zylinders verschließt, einer in dem Zy­ linderkopf angeordneten Zündeinrichtung (123) zum Zünden der brennbaren Ladung, einem in den Zylin­ der (110) hin- und hergehenden Kolben und einer Auslaßöffnung (120) in der Zylinderwand, die in Richtung der Zylinderachse einen Abstand vom Zylinderkopf (121) be­ sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine zugemessene Menge Kraftstoff von einen einzigen Einspritzdüse (124), die in der Zylinderwand an ei­ ner Höhe zwischen der Höhe der Auslaßöffnung (120) und des Zylinderkopfes (121) angeordnet ist, in den Zylinder (110) eingespritzt wird, wobei der Kraftstoff in der Form von mindestens zwei indivi­ duellen Strömen (30, 31, 32) eingespritzt wird, und daß die Ströme so angeordnet werden, daß ein er­ ster Teil des Kraftstoffs nach oben (123) in den Zylinderkopf (121) und ein zweiter Teil des Kraftstoffs nach unten eingespritzt wird, bezogen auf eine zur Zylinderachse senkrechten Ebene, die die Ein­ spritzstelle des Kraftstoffs in den Zylinder schneidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in drei oder mehr individuellen Strömen (30, 31, 32) eingespritzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die individuellen Ströme (30, 31, 32) von der Ein­ spritzstelle ausgehend divergieren und so angeord­ net sind, daß sie in einem Kegel liegen, der von der Einspritzstelle divergiert und einen Winkel zwischen 90° und 150° aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in mindestens drei individuellen Strömen (60-62) eingespritzt wird, von denen zwei individuelle Ströme nach unten gerich­ tet sind, wobei jeder der zwei individuellen Ströme in entgegen­ gesetzte Seiten einer die Zylinderachse einschließenden axialen Ebene des Zylinders divergiert, die durch die Einspritzstelle geht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die individuellen Ströme ein Zerstäubungsmuster bilden, das innerhalb eines von der Einspritzstelle divergierenden und einen Win­ kel zwischen 90° und 150° einschließenden Kegels angeordnet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen 30 und 70% des pro Verbrennungszyklus eingespritzten Kraftstoffs den ersten Teil des Kraftstoffs bilden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Lufteinlaßöffnung (118) auf der der Auslaßöffnung (120) gegenüber­ liegenden Zylinderseite angeordnet ist und daß der Kraftstoff auf dieser Seite in den Zylinder (110) eingespritzt wird.

8. Funkengezündete Zweitaktmaschine mit einem Zylin­ der (110), in welchem eine brennbare Ladung vor­ bereitet wird, einem Zylinderkopf (121), der ein Ende des Zylinders (110) verschließt, einer in dem Zylinderkopf (121) angeordneten Zündeinrichtung (123) zur Zündung der brennbaren Ladung, einem im Zylinder (110) hin- und hergehenden Kolben (112) und einer Auslaßöffnung (120) in der Zylinderwand, die in Richtung der Zylinderachse einen Abstand vom Zylin­ derkopf (121) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Einspritzdüse (124) vorgesehen ist, durch welche Kraftstoff eingespritzt wird und die in der Zylinderwand zwischen der Höhe der Auslaß­ öffnung (120) und dem Zylinderkopf (121) angeord­ net ist, und daß die Einspritzdüse (124) derart ausgebildet ist, daß Kraftstoff in der Form von mindestens zwei individuellen Strömen so eingespritzt wird, daß ein erster Teil des Kraftstoffs nach oben in den Zylinderkopf (121) und ein zweiter Teil des Kraftstoffs nach unten eingespritzt wird, bezogen auf eine zur Zylinderachse senkrechten Ebene, die die Einspritzstelle des Kraftstoffs in den Zylinder schneidet.

9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (124) zur Einspritzung des Kraftstoffs in Form von drei oder mehr individuellen Strömen (60, 61, 62) ausgebildet ist.

10. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (124) so ausgebildet ist, daß die individuellen Ströme (30, 31, 32) in divergie­ renden Strömen austreten, die in einem mit Kegel eingeschlossenen Winkel zwischen 90° und 150° liegen.

11. Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüse (124) derart ausgebildet ist, daß zwischen 30 und 70% des pro Verbrennungszyklus eingespritzten Kraftstoffs den ersten Teil des Kraftstoffs bilden.