DE4415073A1 - Hubkolbenmotor mit direkter Kraftstoffeinspritzeinrichtung und Funkenzündung, insbesondere für den Betrieb mit Alkoholkraftstoff - Google Patents

Description

Aufgrund ihrer guten Eignung für den motorischen Verbren­ nungsprozeß ist die Verwendung von Alkoholkraftstoffen, insbesondere von Methanol, schon seit langem im Bereich der gemischverdichtenden Motoren entwickelt worden. In jüngster Zeit haben sogenannte Alkoholmotore wegen der von ihnen erwarteten besseren Umweltverträglichkeit einen neuen Stellenwert erhalten. Alkoholmotore emittieren mit Ausnahme der Aldehyde weniger Schadstoffe als vergleich­ bare Benzinmotore. Die Zusammensetzung der emittierten Kohlenwasserstoffe weist außerdem eine geringere photo­ chemische Reaktivität bezüglich der Ozonbildung auf und führt damit zu einer geringeren Ozonbelastung.

Bei Alkoholmotorkonzepten mit einer Saugrohreinspritzung des Kraftstoffs stellte sich heraus, daß aufgrund des mangelhaften Kaltstartverhaltens bei Verwendung reiner Alkohole nur mit einem Gemisch aus 85 bis 90% Methanol oder Ethanol und einem entsprechenden Anteil leichtsieden­ der Kohlenwasserstoffe ein störungsfreier Betrieb möglich war. Praktische Erprobungen mit sogenannten Alkoholmotoren, die mit Methanol betrieben wurden haben jedoch gezeigt, daß selbst beim Einsatz spezieller Drei-Wege-Katalysator­ systeme eine sichere Unterschreitung der für den Staat Californien gültigen Grenzwerte (LEV und ULEV) für die Formaldehydemission im Methanolbetrieb, unter Berücksichti­ gung der geforderten Laufleistung von 50 000 Meilen, als sehr kritisch angesehen werden muß. Als wesentlicher Grund für diese verhältnismäßig hohen Formaldehyd-Rohemissionen bei Methanol-Ottomotoren sind die bei äußerer Gemischbil­ dung unvermeidbar an den relativ kühlen Brennraum- und Zylinderwänden auftretenden "Quencheffekte" und die dadurch bedingte unvollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft- Gemisches anzusehen. Diese Nachteile treten besonders im Niedriglastbetrieb auf.

Zur Vermeidung der bei Alkoholmotoren mit Saugrohrein­ spritzung typischerweise auftretenden Emissions- und Kaltstartprobleme wurden sogenannte Schichtlademotoren entwickelt, bei denen der Kraftstoff direkt in den Brenn­ raum eingespritzt wird und die Verbrennung mittels einer Zündeinrichtung in Form einer Zünd- oder Glühkerze einge­ leitet wird. Hierbei erfolgt bevorzugt die Einspritzung des Alkoholkraftstoffs kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens, so daß der intensive Kontakt des Kraftstoffs bzw. schon gebildeten Gemisches mit kühleren Brennraum­ teilen auf eine relativ kleine Brennraumoberfläche be­ schränkt wird. Dieser Effekt wird besonders bei hochver­ dichteten Motoren und mit hohen Zylinderladungstemperaturen zum Zeitpunkt der Einspritzung durch eine rasche Verdamp­ fung des eingespritzten Alkoholkraftstoffes unterstützt. Allerdings ergeben sich durch die von der Einspritzstrahl­ geometrie abhängigen Gemischschichtungen im Brennraum erhebliche Probleme insbesondere bei der Anwendung der Funkenzündung mittels einer Zündkerze, die allerdings gegenüber einer permanent beheizten Glühkerze den großen Vorteil einer gezielten Beeinflußbarkeit des Zündbeginns unabhängig vom Einspritzbeginn bietet. Die von der Ein­ spritzmenge abhängige Strahlausbreitung führt neben den für jeden Einspritzstrahl typischen stochastischen Schwan­ kungen der Strahlgeometrie zu stark unterschiedlichen Gemischzusammensetzungen im Bereich der Zündkerze mit entsprechend stark schwankender Zündqualität bis hin zu Zündaussetzern. Da zudem eine direkte Beaufschlagung der Zündkerze mit noch flüssigem Kraftstoff vermieden werden muß, ist eine Abstimmung der rage des Einspritzstrahles im Brennraum und in bezug zur Zündkerze so zu wählen, daß bei hohen Einspritzmengen nicht zu viel Kraftstoff an die Zündkerze gelangt, andererseits bei niedrigen Ein­ spritzmengen, wie z. B. im Leerlauf, keine Aussetzer auf­ treten, die durch zu mageres Gemisch an den Zündkerzenelek­ troden bedingt sind. Die im Hinblick auf ein akzeptables Gesamtbetriebsverhalten einzugehenden Abstimmungskompro­ misse führen im allgemeinen zu erhöhten Emissionen an unverbranntem bzw. teilweise verbranntem Kraftstoff im Teillastbereich. Das Vollastverhalten ist im wesentlichen durch den für eine vollständige Verbrennung des inhomogen Gemisches erforderlichen deutlichen Luftüberschuß und dementsprechend im Vergleich zum Ottomotor geringen spezi­ fischen Leistung gekennzeichnet. Aufgrund der grundsätzlich mageren Betriebsweise sind bei derartigen Einspritzmotoren besonders bei höheren Motorlasten erheblich höhere NO_x Emissionen zu verzeichnen als bei einem Ottomotor mit stöchiometrischem Gemisch und entsprechender 3-Weg-Kataly­ satorregelung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hubkolben­ motor zu schaffen, der für die Verwendung von klopffesten Kraftstoffen, insbesondere den Alkoholen Methanol und Ethanol, einsetzbar ist und hierbei die Nachteile der bisher bekannten Motorkonzepte vermeidet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Hubkolbenmotor mit wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit, die mit einer Einspritzeinrichtung für den Kraftstoff und einer Zündkerze versehen ist und bei der der durch die obere Totpunktstellung des Kolbens definierte Brennraum zwischen dem im wesentlichen ebenen Zylinderkopf und der Kolbenoberseite durch einen auf der Kolbenoberseite ange­ ordneten ringförmigen Steg in zwei Teilbrennräume unterteilt ist, der von dem ringförmigen Steg umschlossene innere Teilbrennraum dem Wirkungsbereich von Einspritzeinrichtung und Zündkerze zugeordnet ist und der ringförmige Steg mit kanalförmigen Stegunterbrechungen versehen ist, über die beide Teilbrennräume miteinander in Verbindung stehen. Bei einer derartigen Ausgestaltung ergibt sich der Vorteil, daß im Niedriglastbereich in den Brennraum eingebrachtes inhomogenes Gemisch sicher gezündet wird und sehr schad­ stoffarm verbrennt, während im Hochlastbereich ein weit­ gehend homogenes Gemisch mit stöchiometrischer Zusammen­ setzung verbrannt wird. In der oberen Totpunktstellung ist der innere Teilbrennraum gegenüber dem äußeren Teil­ brennraum durch den bis dicht an den Zylinderkopf heran­ reichenden ringförmigen Steg bis auf die kanalförmigen Stegunterbrechungen abgeteilt. Wird nun im Teillastbereich in den inneren Teilbrennraum eine relativ kleine Einspritz­ menge eingebracht, so bleibt diese Kraftstoffmenge auch während der Gemischbildung und der ersten Zündphase in diesem inneren Teilbrennraum und kann so nicht an kühlere Brennraumwände gelangen. Bei einer Erhöhung der Motorlast mit entsprechend größeren Einspritzmengen gelangt dann bereits während des Einspritzens, insbesondere aber unmittel­ bar nach der Zündung, brennbares Gemisch aus dem inneren Teilbrennraum in den äußeren Teilbrennraum und kann dort vollständig verbrennen. Bei einem Betrieb eines derartigen Motors mit Methanol sind die Formaldehydemissionen aufgrund des hohen Brennraumtemperaturniveaus gering. Der durch den ringförmigen Steg umschlossene innere Teilbrennraum ist auf dem Kolben so angeordnet, daß er in etwa symmetrisch in bezug auf eine gedachte Verbindungslinie zwischen Ein­ spritzdüse und Zündkerze liegt.

Der hier verwendete Begriff "ringförmiger Steg" ist nicht auf die Konfiguration eines Kreisringes beschränkt sondern umfaßt auch davon abweichende Konfigurationen der Außen­ und/oder Innenkontur des die Teilbrennräume unterteilenden Steges. So ist eine ovale, elliptische oder auch polygonale Kontur möglich, was beispielsweise durch die für eine Gemischbildung optimale Anordnung von Düse und Zündkerze zueinander geboten sein kann. Die Konfiguration der Innen­ kontur kann von der Konfiguration der Außenkontur abweichen, so daß sich unterschiedliche Stegstärken in radialer Rich­ tung ergeben.

Der hier verwendete Begriff "kanalförmige Stegunterbrechun­ gen" umschreibt nicht nur nutförmige Ausnehmungen, die die Stegkontur bis zur Oberkante durchbrechen, sondern auch Verbindungsbohrungen, die die Stegwandung durchbrechen, wobei die freie Stegoberkante ohne Durchbrechung durchgehend verläuft.

In entsprechender Ausgestaltung der Erfindung können die kanalförmigen Stegunterbrechungen entweder radial oder jeweils unter einem Winkel zum zugehörigen Durchmesser ausgerichtet sein. Im letzteren Fall kann bei einem ventil­ gesteuerten Hubkolbenmotor mit entsprechender Ventilanord­ nung, die einen Drall der angesaugten Luft im Zylinderraum bewirkt, die Drallwirkung für den Übertritt des im inneren Teilbrennraum entstehenden Kraftstoffgemisches bei seinem Übertritt in den äußeren Teilbrennraum unterstützt werden.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß der äußere Teilbrennraum durch einen am Außenumfang des Kolbens angeordneten Außensteg begrenzt ist. Hierdurch wird verhindert, daß insbesondere bei größe­ ren Einspritzmengen unvollständig verdampfte Kraftstoffmen­ gen bei ihrem radial nach außen gerichteten Weg unmittelbar auf die kühlere Zylinderwandung auftreffen können, sondern auf den sehr viel heißeren Außensteg des Kolbens treffen und dort vollständig verdampfen können.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kanten zumindest des ringförmigen Steges abgerundet sind. Hierdurch werden insbesondere das Kolbenmaterial schädigende Temperaturspitzen vermieden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Boden des äußeren Teilbrennraumes gegenüber dem Boden des inneren Teilbrennraumes höhenversetzt angeordnet ist. Hierdurch ist eine Optimierung des Gemischbildungs-, Zünd- und Verbrennungsablaufs möglich. Je nach Konzeption kann der Boden des äußeren Teilbrennraumes tiefer oder auch höher liegen als der Boden des inneren Teilbrennraumes. Damit ist insbesondere bei Hubkolbenmotoren, die entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung so betrieben werden, daß im Teillastbetrieb eine ausschließliche Direkt­ einspritzung des Kraftstoffs erfolgt und im Vollastbetrieb zusätzlich eine Saugrohreinspritzung von Kraftstoff vorge­ nommen wird, die gewünschte Optimierung möglich. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn das Volumen des inneren Teilbrennraumes zwischen 5% und 40% des gesamten Brennraumvolumens beträgt. Das Brennraumvolumen ist hierbei definiert durch den zwi­ schen Zylinderkopf und Kolbenoberfläche verbleibenden Freiraum, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zumindest der Bereich des inneren Teilbrennraumes gegenüber dem übrigen Kolbenkörper wärmeisoliert ausgeführt ist. Hierdurch wird die während der Lade- und Ausstoßphase zwangsläufig auftretende Kühlung des Kolbenkörpers reduziert, so daß zumindest der innere Teilbrennraum in den der Kraft­ stoff direkt eingespritzt wird, ein hohes Temperaturniveau behält und so eine nahezu vollständige Verdampfung bewirkt wird. Dies kann entweder durch einen entsprechenden Einsatz in den Kolbenkörper bewirkt werden, der aus einem Werkstoff mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als der übrige Kolbenwerk­ stoff besteht und/oder durch die konstruktive Gestaltung bewirkt werden, die eine relativ geringe Wärmeableitung an den restlichen Kolben aufweist. Der Effekt kann auch mit einer keramischen Beschichtung der Oberfläche zumindest des inneren Teilbrennraumes bewirkt werden.

Der vorstehend in seinen verschiedenen Ausgestaltungen und Fortentwicklung beschriebene Hubkolbenmotor kann sowohl als Zweitakt- als auch als Viertaktmotor verwendet werden und zwar nicht nur für reine Alkoholkraftstoffe und Kraft­ stoffe mit überwiegendem Alkoholanteil sondern auch für konventionelle Mineralölkraftstoffe (z. B. Benzin).

In einer für die Verwendung von Alkoholkraftstoffen vorteil­ haften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Hubkolbenmotors mit wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit, die mit einer direkt in den Zylinderraum einspritzenden Einspritz­ einrichtung für den Kraftstoff und mit einer Funkenzünd­ kerze versehen ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Einspritzeinrichtung mit einem steuerbaren Einspritz­ ventil zu versehen, durch das in Abhängigkeit vom Lastzu­ stand des Motors durch eine Anpassung von Spritzzeit und Spritzbeginn bei Teillastbetrieb die Gemischbildung auf einen Teilbereich, vorzugsweise den durch einen ringförmi­ gen, mit kanalförmigen Unterbrechungen versehenen Steg umschlossenen inneren Teilbrennraum beschränkt werden kann. Hierdurch ist es möglich, im Niedriglastbetrieb die Kraftstoffeinspritzung zu einem Zeitpunkt zu bewirken, kurz bevor sich der Kolben in der oberen Totpunktstellung befindet und dann durch den ringförmigen Steg der innere Teilbrennraum gegenüber dem äußeren Teilbrennraum weitgehend abgetrennt ist. Der Kraftstoff wird in dem inneren Teil­ brennraum auf die Wandung aufgetragen und verdampft. Durch die Verdampfung sowie durch die von der Kolbenbewegung hervorgerufene Ladungsbewegung wird ein geschichtetes und an der Zündkerze zündfähiges Gemisch gebildet und so sichergestellt, daß in einem relativ kleinen Einspritz­ mengenbereich eine intensive Zündung des Kraftstoff-Luft­ gemisches erreicht wird. Der eingebrachte Kraftstoff ver­ bleibt während der Gemischbildungs- und Zündphase im inneren Teilbrennraum und kann nicht an kühlere Brennraumwände gelangen. Bei einer Erhöhung der Motorlast mit entsprechend größeren Einspritzmengen wird der vorgegebene späte Ein­ spritzbeginn zunächst beibehalten, bis in etwa ein stöchio­ metrisches Luftverhältnis im inneren Teilbrennraum existiert. Bei weiterer Erhöhung der Motorlast erfolgt dann durch entsprechende Frühverstellung des Einspritzbeginnes eine so frühzeitige Kraftstoffeinspritzung, daß sich bereits vor Erreichen der oberen Totpunktlage des Kolbens im gesamten Brennraum ein homogenes und beispielsweise stöchiometrisches Alkohol-Luft-Gemisch gebildet hat. Die Wahl des Zündzeit­ punktes erfolgt so, daß das gesamte Gemisch in möglichst kurzer Zeit verbrennt. Hierbei wird besonders in der oberen Totpunktlage des Kolbens durch die im ringförmigen Steg vorhandenen kanalförmigen Stegunterbrechungen, die den inneren Teilbrennraum mit dem äußeren Teilbrennraum ver­ binden, sichergestellt, daß auch bei relativ spätem Zünd­ zeitpunkt das im inneren Teilbrennraum gezündete Gemisch ähnlich einer Fackelzündung das restliche im äußeren Teil­ brennraum befindliche Gemisch erreicht und entflammt.

In einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Luftansaugrohr des Zylinders eine zusätzliche Einspritzeinrichtung angeordnet ist, durch deren steuerbares Einspritzventil bei Überschreiten einer vorgegebenen Motorlast zusätzlicher Kraftstoff der Ansaug­ luft zugemischt wird. Durch diese Maßnahme werden die Vorteile eines Schichtlademotors mit direkter Kraftstoff­ einspritzung im Teillastbetrieb mit den Vorteilen des gemischsaugenden Motors, der auch eine Drosselregelung aufweisen kann, für den Hochlastbetrieb kombiniert. Hier­ durch ist eine gezielte Optimierung für den Teillastbetrieb und eine gezielte Optimierung für den Vollastbetrieb mög­ lich mit der Folge, daß für beide Betriebsbereiche eine möglichst vollständige Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs und damit eine sehr geringe Schadstoffemission bei hoher spezifischer Leistung bewirkt wird.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Zylinder mit Kolben in oberer Totpunktstellung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Kolben gem. Fig. 1,

Fig. 3 eine Motorsteuerung in Form eines Block­ schaltbildes,

Fig. 4 eine Darstellung des Verbrennungsluftver­ hältnisses Lambda im Brennraum in Abhängig­ keit von der Motorlast,

Fig. 5 verschiedene Einspritzzeitpunkte und die Einspritzdauer für verschiedene Last­ zustände in bezug zum oberen Totpunkt.

Die in Fig. 1 in einem Vertikalschnitt schematisch darge­ stellte Kolben-Zylinder-Einheit eines Hubkolbenmotors zeigt in einem Zylinder 1 einen Kolben 2 in seiner Stellung im oberen Totpunkt. Der Zylinder 1 ist auf seiner Oberseite durch einen Zylinderkopf 3 verschlossen, in den eine Ein­ spritzeinrichtung 4 und eine Funkenzündkerze 5 eingesetzt sind, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel unter einem Winkel gegen die Zylinderachse 6 ausgerichtet im zentralen Bereich eingesetzt sind. Die den Zylinder 1 abschließende Fläche des Zylinderkopfs 3 ist im wesentli­ chen eben flächig und weist lediglich im Einmündungsbereich der Einspritzeinrichtung 4 und der Funkenzündkerze 5 eine geringe Auswölbung auf. Ein- und Auslaßventil sind aus Gründen der einfacheren Darstellung nicht dargestellt.

Durch die Kolbenoberfläche und die den Zylinder verschlie­ ßende Fläche des Zylinderkopfes 3 wird in der dargestellten oberen Totpunktstellung des Kolbens ein Brennraum 7 defi­ niert. Durch einen auf der Kolbenoberseite angeordneten ringförmigen Steg 8 wird der Brennraum 7 in einen inneren Teilbrennraum 7.1 und einen äußeren Teilbrennraum 7.2 unterteilt. Hierbei ist der inneren Teilbrennraum 7.1 dem Wirkungsbereich der Einspritzeinrichtung 4 und der Funkenzündkerze 5 zugeordnet. Der ringförmige Steg 8 ist mit mehreren kanalförmigen Stegunterbrechungen 9 versehen, durch die die beiden Teilbrennräume 7.1 und 7.2 auch dann in Verbindung stehen, wenn sich der Kolben 2, wie in Fig. 1 dargestellt, im oberen Totpunkt befindet. Der äußere Teil­ brennraum 7.2 ist durch einen am Außenumfang des Kolbens 2 angeordneten Außensteg 10 begrenzt.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel werden die Teil­ brennräume 7.1 und 7.2 mit dem ringförmigen Steg 8 sowie dem Außensteg 10 durch ein Einsatzteil 11 gebildet, das aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit geringer ist als der übrige Kolbenwerkstoff, so daß während der Ansaug- und Ausstoßphase der beim Einspritzvorgang unmittelbar mit dem Kraftstoff in Berührung kommende Be­ reich ein möglichst hohes Temperaturniveau behält.

Die zur Bildung der beiden Teilbrennräume 7.1 und 7.2 erforderliche Formgebung kann aber auch unmittelbar in den Kolbenkörper eingearbeitet werden. Hier ist es dann zweckmäßig, wenn die Oberfläche des Kolbens zumindest im Bereich der Teilbrennräume mit einer Keramikbeschichtung versehen ist, die beispielsweise im Plasmaspritzverfahren aufgebracht sein kann.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der ringförmige Steg 8 konzentrisch zur Zylinder- bzw. Kolbenachse 6 angeordnet, so daß der Teilbrennraum 7.1 kreisförmig ist und der Teilbrennraum 7.2 kreisringförmig ist. Bei einer anderen geometrischen Anord­ nung der Einspritzeinrichtung 4 und der Zündkerze 5 in bezug zur Zylinderachse 6 ist der innere Teilbrennraum 7.1 entsprechend der Zuordnung zur Einspritzeinrichtung 4 und zur Zündkerze 5 verschoben. Der ringförmige Steg 8 kann insbesondere bei einer derartigen Verschiebung gegen­ über der Zylinderachse 6 auch eine von der reinen Kreisform abweichende Form aufweisen, die auf das Strömungsverhalten im Brennraum, insbesondere aber den Verlauf der Flammen­ front beim Übergang vom inneren Teilbrennraum in den äußeren Teilbrennraum abgestimmt sein kann.

Die kanalförmigen Stegunterbrechungen 9, über die der innere Teilbrennraum 7.1 mit dem äußeren Teilbrennraum 7.2 verbunden ist, sind bei dem hier dargestellten Ausführungs­ beispiel mit zentralsymmetrischer Anordnung von Einspritz­ einrichtung 4 und Zündkerze 5 (Fig. 1) ebenfalls stern­ förmig symmetrisch angeordnet, um einen gleichmäßigen Übertritt der Flammenfront aus dem inneren Teilbrennraum 7.1 in den äußeren Teilbrennraum 7.2 und damit einen gleichmäßigen Verbrennungsablauf auch im äußeren Teilbrenn­ raum 7.2 zu bewirken.

In Fig. 3 ist in einem Blockschaltbild eine Motorsteuerung für einen Zylinder eines Hubkolbenmotors mit einer Brenn­ raumgestaltung der vorbeschriebenen Art dargestellt. Die Steuerung besteht im wesentlichen aus einem Motorsteuer­ gerät 12, dem als wesentliche Betriebsdaten über den Ein­ gang 13 die Motortemperatur und über den Eingang 14 die Motordrehzahl vorgegeben wird. Über einen entsprechenden Geber 15, der mit dem Fahrpedal gekoppelt ist, wird vom Fahrer der Lastwunsch als weiteres Stellsignal auf das Motorsteuergerät 12 aufgegeben.

Bei dem hier dargestellten Beispiel ist der Motor M mit einer Einrichtung 4 zur Direkteinspritzung des Kraftstoffs sowie einer Funkenzündkerze 5 versehen, wie dies anhand von Fig. 1 beschrieben ist. Dementsprechend wird ein Stell­ signal vom Motorsteuergerät auf das mit der Einspritzein­ richtung 4 verbundene Einspritzventil aufgeschaltet. Damit ist es möglich, in Abhängigkeit von dem durch den Geber 15 vorgegebenen Lastwunsch sowohl Einspritzbeginn als auch Einspritzdauer und damit die Einspritzmenge zu steuern, wobei auch der Zündzeitpunkt entsprechend angesteuert werden kann.

Zusätzlich zu der direkteinspritzenden Einspritzeinrich­ tung 4 weist der Motor M eine zusätzliche Einspritzeinrich­ tung 16 auf, die in den Luftansaugkanal 17 der Kolben- Zylinder-Einheit des Motors M einmündet und die ebenfalls über das Motorsteuergerät 12 angesteuert werden kann. Im Luftansaug 17 ist ferner noch eine steuerbare Drossel­ klappe 18 vorgesehen, deren Stellung ebenfalls innerhalb eines vorgegebenen Bereiches über das Motorsteuergerät 12 verstellt werden kann.

Mit Hilfe einer derartigen Motorsteuerung ist es für einen Motor entsprechend der in Fig. 1 beschriebenen Bauweise möglich, auch für einen Alkoholbrennstoff über den gesamten Lastbereich einen Betrieb mit minimaler Schadstoffemission aufrechtzuerhalten. Dies wird anhand des Schaubildes gem. Fig. 4 näher erläutert. Das Schaubild zeigt den Verlauf der Verbrennungsluftverhältniszahl Lambda über den Last­ bereich des betreffenden Motors. Der Teillastbereich, in dem der Motor ungedrosselt im sogenannten Magerbetrieb gefahren wird, also mit einer Verbrennungsluftverhältnis­ zahl Lambda 1 ist durch den Bereich 20 gekennzeichnet. Die Motorsteuerung ist nun so ausgelegt, daß mit zunehmen­ der Last die Luftverhältniszahl Lambda sich dem Wert 1 nähert, bis sie diesen in einem Übergangsbereich 21 er­ reicht. Bei Erhöhung der Motorlast wird dann Einspritz­ beginn und Einspritzdauer so geregelt, daß über den Hoch­ lastbereich 22 der stöchiometrische Betrieb, d. h. eine Verbrennungsluftverhältniszahl Lambda = 1 bis zum Erreichen der Vollastgrenze eingehalten werden kann.

Die vorstehend angedeutete Einspritzstrategie ist in Fig. 5 näher erläutert. Hier ist der Einspritzbeginn und die Einspritzdauer in Abhängigkeit von der Last in bezug auf den Kurbelwinkel zwischen dem unteren Totpunkt (0°KW) und dem oberen Totpunkt (180°KW) in Balkenform dargestellt. Hierbei entspricht entsprechend der Darstellung in Fig. 4 der Balken 20.1 dem Teillastbereich 20, der Balken 21.1 dem Übergangsbereich 21 und der Balken 22.1 dem Hochlastbe­ reich 22. Der Übergangsbereich 21 für den Übergang vom Magerbetrieb auf den "Lambda = 1-Betrieb" ist nun abhangig, beispielsweise von der Motordrehzahl. Über die geometrische Ausbildung des anhand von Fig. 1 und 2 beschriebenen inneren Teilbrennraums 7.1 ist es bei entsprechender Abstim­ mung der Motorsteuerung und der Einspritzanordnung möglich, diesen Übergangsbereich so zu gestalten, daß hier ein einwandfreies Betriebsverhalten erreicht werden kann. Während des Betriebes im Teillastbereich 20 wird über das Motorsteuergerät 12 ausschließlich die Einspritzein­ richtung 4 aktiviert, so daß der Kraftstoff ausschließlich in den inneren Teilbrennraum 7.1 eingespritzt und dort auch gezündet wird. Im Übergangsbereich 21 bzw. im Hoch­ lastbereich 22 wird dann der Einspritzzeitpunkt vorverlegt und die Einspritzdauer verlängert, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Zusätzlich oder aber anstelle des sehr stark nach "früh" verstellten Einspritzzeitpunktes kann bei hoher Lastanforderung (Hochlastbereich) auch Kraftstoff in den Luftansaugkanal 17 über die Einspritzeinrichtung 16 eingespritzt werden, so daß zum Zündzeitpunkt der gesamte Brennraum 7 gleichmäßig und homogen mit einem Kraftstoff- Luft-Gemisch gefüllt ist.

Claims (12)

1. Hubkolbenmotor mit wenigstens einer Kolben-Zylinder- Einheit, die mit einer Einspritzeinrichtung (4) für den Kraftstoff und einer Zündkerze (5) versehen ist, insbeson­ dere für Kraftstoffe mit überwiegendem Alkoholanteil, und bei der der durch die obere Totpunktstellung des Kol­ bens (2) definierte Brennraum (7) zwischen dem im wesent­ lichen ebenen Zylinderkopf (3) und der Kolbenoberseite durch einen auf der Kolbenoberseite angeordneten ringför­ migen Steg (8) in zwei Teilbrennräume (7.1, 7.2) unterteilt ist, und der von dem ringförmigen Steg umschlossene innere Teilbrennraum (7.1) dem Wirkungsbereich von Einspritzein­ richtung (4) und Zündkerze (5) zugeordnet ist und der ringförmige Steg (8) mit kanalförmigen Stegunterbrechungen (9) versehen ist, über die beide Teilbrennräume (7.1, 7.2) miteinander in Verbindung stehen.

2. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalförmigen Stegunterbrechungen (9) radial ausge­ richtet sind.

3. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalförmigen Stegunterbrechungen (9) jeweils unter einem Winkel zum zugehörigen Durchmesser ausgerichtet sind.

4. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teilbrennraum (7.2) durch einen am Außenumfang des Kolbens angeordneten Außensteg (10) begrenzt ist.

5. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten zumindest des ringförmigen Steges (8) abgerundet sind.

6. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden des äußeren Teilbrennraumes (7.2) gegenüber dem des inneren Teilbrennraumes (7.1) höhenversetzt angeordnet ist.

7. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des inneren Teilbrennraumes (7.1) zwischen 15 und 30% des gesamten Brennraumvolumens (7) beträgt.

8. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Bereich des inneren Teilbrennraumes (7.1) gegenüber dem übrigen Kolbenkörper wärmeisoliert ist.

9. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Oberfläche des vom ring­ förmigen Steg (8) umschlossenen Teilbrennraumes aus einem Werkstoff mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als der übrige Kolbenwerkstoff besteht.

10. Hubkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenoberfläche mit einer kerami­ schen Beschichtung versehen ist.

11. Hubkolbenmotor für die Verwendung von Alkoholbrenn­ stoffen, mit wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit, die mit einer direkt in den Zylinder einspritzenden Ein­ spritzeinrichtung (4) für den Kraftstoff und einer Funken­ zündkerze (5) versehen ist, insbesondere nach den Ansprü­ che 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzein­ richtung (4) mit einem steuerbaren Einspritzventil ver­ sehen ist, durch das in Abhängigkeit vom Lastzustand des Motors durch eine Anpassung von Spritzzeit und Spritzbeginn bei Teillastbetrieb die Gemischbildung auf einen Teilbe­ reich des Brennraums beschränkt werden kann.

12. Hubkolbenmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftansaugrohr (17) des Zylinders eine zusätzliche Einspritzeinrichtung (16) angeordnet ist, durch deren steuerbares Einspritzventil bei Überschreiten einer vor­ gegebenen Teillastgrenze zusätzlicher Kraftstoff in die Ansaugluft eingespritzt wird.