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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Zweitakt-Brennkraftmaschine,
die eine pneumatisch unterstützte
Kraftstoffdirekteinspritzung verwendet, insbesondere ausgestattet
mit einem automatischen Ventil und betrieben durch einen Kompressor,
der in dem Motor integriert ist und auch die Funktion der Turboaufladung
hat.
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Bei
einer Zweitakt-Brennkraftmaschine treten das Ausstoßstadium
und der Einlass frischer Gase in den Zylinder (Spülstadium)
beinahe zugleich ein, wenn sich der Kolben in der Nähe seines
unteren Totpunktes befindet. Die Überlagerung von Einlass- und
Ausstoßstadium
bewirkt, dass ein Teil des in dem Vergaser erzeugten Gemisches (rund
30 %), der nicht an der Verbrennung beteiligt ist, verloren geht. Ein
solcher Anteil des Gemisches wird direkt durch das Abgasrohr freigesetzt
und somit stellt dieses Stadium vom Standpunkt der Schadstoffemission
und des Verbrauchs den kritischsten Punkt des Zweitakt-Zyklus dar.
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Das
Funktionsdiagramm der Kraftstoffdirekteinspritzung in den Zylinder
macht naturgemäß die Freisetzung
von unverbranntem Kraftstoff sehr unwahrscheinlich, da die Einspritzung
im Allgemeinen stattfindet, während
das Abgasrohr beinahe ganz geschlossen ist. Die für Zweitakt-Brennkraftmaschinen charakteristischerweise
mit einem Gemisch durchgeführte
Spülung
wird durch eine Spülung
mit Luft ersetzt, was zu einer deutlichen Reduktion des spezifischen
Verbrauchs und der Kohlenwasserstoffemissionen führt.
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Verschiedene
Lösungen
und Vorrichtungen, die es ermöglichen.,
dass Brennkraftmaschinen eine pneumatisch unterstützte Kraftstoffdirekteinspritzung verwenden,
sind derzeit bekannt.
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Das
Funktionsprinzip solcher Systeme basiert auf der Einspritzung eines
Luft / Benzin-Gemisches in eine Brennkammer, um so selbst bei einem niedrigen
Kraftstoffdruck eine gute Verdampfung des Einspritzstrahls mit der
darauf folgenden Verbesserung des Verbrennungswirkungsgrades zu
erreichen.
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Bei
einem einfachen Einspritzsystem kann die Luft direkt aus dem Motorkurbelgehäuse austreten,
durch eine Benzineinspritzdüse
angereichert werden, und dann durch ein durch einen Exzenternocken
betätigtes
Ventil in die Brennkammer eingespritzt werden. Die mechanische Komplexität der Verwendung
eines Exzenternockens und des entsprechenden Schmiersystems erlaubt
es nicht, dass hohe Funktionsniveaus erreicht werden, und aus diesem
Grund und auch wegen der erhöhten
Kosten kann ein solches System nicht in geeigneter Weise auf kleine
Hubräume
angewendet werden.
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Eine
Entwicklung eines solchen Systems wurde dadurch erreicht, dass der
Antriebsnocken des Einspritzventils beseitigt wurde, und ein solches Ventil
in Bezug auf die physikalische Öffnung
und die Zeit, in der es offen ist, vollständig automatisiert wurde. Bei
dieser Lösung
wird das Ventil durch den in dem Motorkurbelgehäuse erzeugten Druck, der durch
ein sehr langes an dem Zylinderkopf angeordnetes Rohr an dem Ventil
anliegt, betätigt.
Der größte Nachteil
einer solchen Länge
ist die Tatsache, dass das Einspritzstadium nur für wenige
Motordrehzahlen optimiert werden kann, und somit ist ein solches System
auf Straßenfahrzeuge
beschränkt.
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Es
sind auch Systeme bekannt, die dem Motor durch ein Direkteinspritzventil
ein Gemisch aus Benzin und Druckluft zuführen.
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Ein
besonders interessantes System sieht ein Steuersystem sowohl für die Benzinzuführung als auch
für das
Direkteinspritzventil vor. In einer Kammer oberstromig des Direktkraftstoffeinspritzventils werden
die von einem Kompressor kommende Luft und der Kraftstoff gemischt.
Das so gebildete Gemisch wird dann durch ein von einer elektronischen Steuereinheit
betätigtes
Direkteinspritzventil in die Brennkammer eingeleitet.
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Dieses
System, das elektronische Komponenten umfasst, ist teuer und vom
Standpunkt des Kraftstoffverbrauchs aufwändig; demzufolge kann seine
Anwendung auf kleine Hubräume
für Motorräder problematisch
sein.
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Eine
andere alternative Lösung,
die die oben beschriebenen Nachteile überwinden kann, ist durch einen
Kompressor gegeben, der direkt auf dem Zylinderkopf angeordnet ist,
um die ungenützten
Räume zu
verringern, und der ein Luft/Benzin-Gemisch in den Motor einspritzt.
Das Benzinzufuhrsystem kann aus einem Vergaser oder einem elektronischen
Einspritzventil und einer elektrischen Benzinpumpe aufgebaut sein.
Die Einspritzung in den Antriebszylinder erfolgt durch ein automatisches
Ventil, das durch die Druckdifferenz zwischen dem Kompressorraum
und der Brennkammer automatisch betätigt wird.
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Diese
letzte Lösung
bringt jedoch hohe Kosten für
den mechanischen Teil mit sich, der die Bewegung von der Antriebswelle
zu dem Kompressor davor überträgt.
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zweitakt- Brennkraftmaschine
bereitzustellen, die die oben beschriebenen technischen Probleme
im Allgemeinen löst.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin,
eine Zweitakt-Brennkraftmaschine bereitzustellen, die die gesetzlichen
Einschränkungen
mit Bezug auf Schadstoffemissionen, die für Zweitaktmotoren zunehmend restriktiv
werden, zu berücksichtigen
und zu überwinden.
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Diese
Zwecke gemäß der vorliegenden
Erfindung werden erfüllt,
indem eine Zweitakt-Brennkraftmaschine vorgesehen wird, die eine
pneumatisch unterstützte
Kraftstoffdirekteinspritzung wie in Anspruch 1 offenbart verwendet.
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Weitere
Merkmale der Erfindung sind in den nachfolgenden Ansprüchen hervorgehoben.
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Die
Eigenschaften und Vorteile einer Zweitakt-Brennkraftmaschine, die
eine pneumatisch unterstützte
Kraftstoffdirekteinspritzung gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet, werden aus der folgenden Beschreibung deutlich,
die beispielhaft und nicht einschränkend unter Bezugnahme auf
die beiliegenden schematisierten Zeichnungen dargelegt wird, in
denen:
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1 ein Schnitt eines Abschnittes
einer Zweitakt-Brennkraftmaschine
ist, die eine pneumatisch unterstützte Kraftstoffdirekteinspritzung
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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2 ein Schnitt in Übereinstimmung
mit dem Kompressorkolben ist;
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3 eine vergrößerte Querschnittsansicht des
Kompressorkolbens in Übereinstimmung
mit dem jeweiligen Stift und dem seitlichen Bolzen ist, in dem die
eingelassenen Kanäle
ausgebildet sind;
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4 eine seitliche Schnittansicht
des in 1 gezeigten Motorabschnitts
und relativ zu einem Zufuhrsystem in einem Kurbelgehäuse und
in einem Zylinderkopf ist;
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5 ein vergrößerter Schnitt
eines pneumatischen Ventils mit einer Schwimmernadel und automatischer
Betätigung
ist;
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6a–6f ein
Funktionsdiagramm des Motors in Bezug auf einen vollständigen Zyklus
in Intervallen zu 60° zeigt;
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen ist eine Zweitakt-Brennkraftmaschine, die eine pneumatisch
unterstützte
Kraftstoffdirekteinspritzung gemäß der Erfindung
verwendet, zumindest teilweise in einer ihrer schematischen Gesamtansichten
dargestellt.
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Tatsächlich ist
ein zylindrischer Körper 11 der vorstehend
erwähnten
Zweitakt-Brennkraftmaschine, in dem ein jeweiliger angeordneter
Kolben 12 in einem Antriebszylinder 13 verschoben
wird, dargestellt. Eine Antriebswelle 14 trägt eine
erste Pleuelstange 16 und ist auf Lagern 15 gelagert.
Die Antriebswelle 14 trägt
weiter unten an ihrer Länge über einen
Exzenternocken 18 auch eine zweite Pleuelstange 17 unter
Zwischenschaltung eines Rollenlagerkäfigs 19, die einen
Kolben 20 eines sich hin und her bewegenden Kompressors
betätigt,
welcher in dem zylindrischen Körper 11 unterhalb
eines Zylinderkopfes 22 ausgebildet ist. Dar über hinaus
ist für eine
richtige Montage des Exzenternockens 18 ein geeignetes
Loch 23 an der Antriebswelle 14 vorgesehen, in
das ein Stift 24 eingesetzt ist, der als ein Winkelbezug
für die
Synchronisierung des Kompressors dient.
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Ein
Kompressionsraum oder Kompressionszylinder 21 enthält den Kolben 20 des
Kompressors, wobei zu sehen ist, dass das Volumen eines Kompressorkurbelgehäuses 25,
das die zweite Pleuelstange 17 enthält, über geeignete Durchbrechungen 27 und
durch eines der genannten Kugellager 15 mit dem Volumen
des Motorkurbelgehäuses 26 in
Verbindung steht.
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Aus
der Sicht des allgemeinen Aufbaus sei darüber hinaus angemerkt, dass
ein automatisches Ventil 28 zum Einleiten des Luft/Benzin-Gemisches sowie eine
Zündkerze 29 in
dem Zylinderkopf 22 angeordnet sind; überdies eine Gruppe von Ventilzungen 30 (nicht
gezeigt) und ein Drosselgehäuse 31 für den Austritt
nur von Luft, sowie Öl
durch ein Loch 32, in einem Bereich maximaler Verwirbelung
unterstromig einer jeweiligen Drosselklappe 33, die direkt
von dem Motorkurbelgehäuse 26 eingezogen
wird / werden.
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Überdies
trägt die
zweite Pleuelstange 17, die an dem Exzenternocken 18 unter
Anordnung eines Rollenlagerkäfigs 19 dazwischen
montiert ist, zwei Bundringe 34 an ihren Seiten, die mit Öffnungen 35 für den Durchgang
von Öl
zum Schmieren versehen sind, und die Funktion zur Aufnahme der Pleuelstange
und des Rollenlagerkäfigs
haben.
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Darüber hinaus
sei angemerkt, dass die Basis der zweiten Pleuelstange oder sekundären Pleuelstange 17 in
ihrem Loch 47 einen schwimmenden Bolzen 36 aufweist,
wobei auf einem solchen Bolzen 36 der Kolben 20 des
sich hin und her bewegenden Kompressors dank der Löcher 46 in
dem Kolben 20 montiert ist.
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Wie
in 3 gezeigt, ist der
Bolzen 36 auf einer Seite der Kammer oder des Zylinders 21 des Kompressors
und auf der anderen Seite, teilweise durch eine Wand 37,
die direkt in einer Verschlusskappe 38 mit dem jeweiligen
Dichtring 39 vorgesehen ist, in seinem Sitz gehalten. Die
Verschlusskappe 38 ist in Übereinstimmung mit einem Loch 40 angeordnet,
das in dem Zylinder selbst 21 des Kompressors ausgebildet
ist. Das Loch 40 erlaubt die Anordnung des Bolzens 36,
von dem der Kolben 20 des Kompressors herstammt. In der
Kappe selbst 38, die durch Schrauben 41 verriegelt
ist, sind an den Seiten der Wand 37, die den Bolzens 36 enthält, zwischen dem
Kompressorzylinder 21 und dem Motorkurbelgehäuse 26 und
dem Kompressorkurbelgehäuse 25 ein
Paar eingelassene Kanäle 42 ausgebildet.
Somit besitzt die Kappe 38 die Funktion: das Loch 23 zu schließen, als
Strömungskanal 25 zu
fungieren, den Bolzen 36 zwischen die Basis der Pleuelstange 17 und
den Kolben 20 einzupassen und diesen zu enthalten.
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Es
ist auch ersichtlich, dass in dem Zylinderkopf 22 ein Versorgungskanal 43 gebildet
ist, in den hinein sich ein Kraftstoffelektroeinspritzventil 44 öffnet, und
der über
einen kreisförmigen
Kanal 45, der zum Teil in dem Kopf erhalten und zum Teil
direkt an dem Außendurchmesser
des Ventils selbst 28 gebildet ist, mit dem automatischen
Ventil 28 verbunden ist.
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5 zeigt in einer Detailvergrößerung das Ventil 28 der
automatisch betätigten
pneumatischen Ventilgruppe mit einer Schwimmernadel.
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Ein
Ventilkörper 50 mit
einem geformten Schaft und mit einem Pilzkopfende 50a ist
schwimmend in Bezug auf einen auf das Pilzkopfende abgestimmten
Sitz 51 angeordnet, und in einem ringförmigen Element 52 gebildet,
das im Innern des Gehäuses 53 angeordnet
ist. Die schwimmende Bewegung ist derart, dass die Strömung des
Luft/Benzin-Gemisches durch einen Luftraum 54, der zwischen
dem ringförmigen
Element 52, dem Sitz 51 und dem Pilzkopfende 50a des
Ventilkörpers 50 ausgebildet
ist, statfindet.
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Der
Endanschlag des Ventils 50 ist durch einen ersten Ring 55 gesichert,
der, wenn er an dem Schaft des Ventils selbst montiert ist, in Kontakt
mit einem zweiten Ring 56 gebracht wird, der wiederum an
dem Schaft befestigt ist. Die Vorspannung ist durch eine Feder 57 sichergestellt,
die zwischen dem ringförmigen
Element 52 und dem ersten Ring 55 in Wechselwirkung
steht. Die gesamte Ventilgruppe ist in dem genannten Gehäuse 53 eingeschlossen,
das mit einem Gewinde 58 und einem Sechskantkopf 59 ausgestattet
ist, um an den Motorkopf 22 geschraubt zu werden.
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Eine
solche vollständige
Ventilgruppe öffnet sich
direkt auf einer Brennkammer 60, die an dem Ende des Zylinders 13 angeordnet
ist, in diese hinein.
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Der
Betrieb des Motors in Bezug auf einen vollständigen Zyklus in Intervallen
von 60° wird
hier unter Bezugnahme auf die 6a–f beschrieben.
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Es
ist einzusehen, dass durch die vorliegende Erfindung der dem Zylinder 13 zugehörige Kompressor
direkt durch die Antriebswelle 14 über die sekundäre Pleuelstange 17 und
den Exzenternocken 18 aktiviert wird. Die Luft, die sich
in dem Pumpenkurbelgehäuse,
das aus den miteinander in Verbindung stehenden Motor- 26 und
Kompressorkurbelgehäusen 25 besteht,
befindet, wird durch den Motorkolben 12 und durch den Kompressorkolben 20,
die sich gleichzeitig mit einer gewissen Synchronisie rung zu ihrem
unteren Totpunkt bewegen, komprimiert (6a). Die Synchronisierung der Kolben 12 und 20 ist
derart, dass, während
der Motorkolben 12 die Spülrohre des Hauptzylinders geschlossen
hält, der Kompressorkolben 20 die
in der Kappe 38 ausgebildeten eingelassenen Kanäle 42 freilegt
und die Luft aus dem unter Druck stehenden Kurbelgehäuse (6b–c) zurücksaugt.
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Während des
Stadiums des Komprimierens der Luft in dem Kompressorzylinder 21 finden
in dem Hauptzylinder 13 (6d–e)
das Austrags- und
das Spülstadium
statt. Bei der Zweitakt-Brennkraftmaschine (6e–f) erfolgt
die Ansaugung der von dem Kurbelgehäuse für das nachfolgende Stadium
benötigten
Luft durch die Zungenventilgruppe 30. Genau in diesem Moment
wird der von dem Kompressor geleistete Beitrag erhöht, was
die Pumpwirkung auf Grund einer größeren Volumenabweichung in
dem Kurbelgehäuse
selbst (Superspülung)
in Bezug auf eine herkömmliche
Zweitakt-Brennkraftmaschine erhöht;
darüber
hinaus ist die Aufladung während
des Versorgungsstadiums sichergestellt, indem dieses hauptsächlich dann
durchgeführt
wird, wenn der Auslasskanal des Zylinders 13 geschlossen
ist.
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Der
flüssige
Kraftstoff wird durch ein Elektroeinspritzventil 44 in
den Versorgungskanal 43 des Kompressors (1) eingespritzt. Das Gemisch aus Luft
und Kraftstoff wird in den Augenblicken, die dem Ende des Kompressionsstadiums
des Motors vorangehen, durch das automatische Ventil 28,
das durch die Druckdifferenz, die zwischen der Brennkammer und dem
Kompressorraum erzeugt wird, betätigt wird,
in die Brennkammer 60 eingespritzt. Es sollte darauf hingewiesen
werden, dass in diesem Moment, während
der Motorkolben 12 die Luft in dem Hauptzylinder 13 komprimiert,
der Kompressorkolben 20, der vorangetrieben wird, die Luft
in seinem eigenen Zylinder 21 komprimiert und die Aufladung
während des
Einspritzstadiums bestimmt. Dies ist ein weiterer großer Vorteil
gegenüber
der vorstehend beschriebenen Superspülung.
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Um
das Ziel zu erreichen, den Betrieb des Kompressors bei bestimmten
Drehzahlen zu optimieren, ist die Verwendung einer geeigneten Kalibration oder
das Einsetzen einer Düse
in der Versorgungsleitung 43 vorgesehen. Die Form des Strahles
des Luft/Kraftstoff-Gemisches in den Zylinder 13 wird durch
das automatische Ventil 28 geleitet und ist im Gegenstrom
(4) in Bezug auf die
Spülungsströmung gerichtet;
somit wird die Gefahr des Entweichens von Kohlenwasserstoffen aus
dem Auslass verringert und die Bildung der Schichtladung wird einfacher
gemacht.
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In
Bezug auf Zweitakt-Brennkraftmaschinen, die eine pneumatisch unterstützte Kraftstoffdirekteinspritzung
verwenden, wie sie derzeit bekannt sind, ist die vorliegende Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkompressor in dem Antriebszylinder
integriert ist, der an seiner Seite zwischen den eingelassenen Wänden und
der Ebene des Kopfes gebildet ist, und direkt durch die Antriebswelle
betätigt wird.
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Eine
solche Konfiguration erlaubt eine Reihe von vorteilhaften Lösungen,
die nachfolgend beschrieben sind:
- a) der Kompressorzylinder 21,
der in dem Hauptzylinder 13 gebildet ist, erlaubt es, das
Volumen von Schadstoffen, die von dem Versorgungsrohr 43 stammen,
auf einem Minimum zu halten, und erlaubt auch eine Beladung, die
der einer normalen Zweitakt-Brennkraftmaschine sehr ähnlich ist, wobei
die Einfachheit im Aufbau und begrenzte Kosten noch erhalten bleiben;
- b) die Verringerung der Anzahl spezieller Komponenten in Bezug
auf Lösungen,
die eine Übertragung
zwischen der Antriebswelle 14 und dem Kompressor erfordern,
führt zu
einer Verringerung der Produktions- und Wartungskosten, erhöht aber
gleichzeitig auch die mechanische Leistung sowie die Einfachheit
der Wartung und der Montage der verschiedenen Teile;
- c) der Kompressor trägt
dank einer größeren Pumpwirkung
dazu bei, eine Superspülung
und eine Aufladung sicherzustellen, und die negative Wirkung auf
Grund der nachteiligen Bereiche, die in dem Kurbelgehäuse hinzugefügt werden,
um den Kompressor über
eine Pleuelstange zu steuern, zu einem großen Teil auszugleichen. Der Kompressor
zieht das Gemisch direkt in das Motorkurbelgehäuse 26 und dessen
Befüllung
wird durch die Öffnung
an dem Drosselgehäuse 31 gesteuert.
Dies ermöglicht
dem System auch im Leerlauf oder mit gedrosseltem Gas korrekt gleichmäßig richtig
zu arbeiten. Die Kombination der Wirkung von Superspülung und
Aufladung beim Betrieb des Kompressor bringt den Motor auf Antriebsmomentwerte,
die größer sind
als diejenigen, die mit herkömmlichen
Motoren erzielt werden, wodurch es möglich ist, die selbe Leistung
bei geringeren Drehzahlen, auch mit Vorteilen bei Geräuschemissionen
zu erhalten;
- d) es wird eine größere Freiheit
zum Positionieren der pneumatischen Ventilgruppe 28 und
der Zündkerze 29 an
dem Zylinderkopf 22 erhalten, um so die Bildung des Strahles
zur Durchführung der
Schichtladung zu optimieren. Dank einer Konfiguration des Kopfes,
die einfach ist und nicht von anderen Beladungen abhängig ist,
kann darüber hinaus
die Position des Elektroeinspritzventils 44 und des Temperatursensors
optimiert werden. Dieser Aufbau ermöglicht eine einfache Zugänglichkeit
zu allen an dem Kopf angeordneten Komponenten zum Zweck der Wartung
und des Austausches.
- e) Die beiden Kurbelantriebe, die sich in der selben Umgebung
befinden, werden von einem einzigen an dem Rohr des Drosselgehäuses angeordneten
Punkt 32 zur Ausgabe von Öl geschmiert, das durch die
in das Motorkurbelgehäuse 26 eintretende
Luft befördert
wird. Der Vorteil liegt in der gegebenen Gleichmäßigkeit des Austrags und der
Präzision
der vorliegenden Energieversorgung, so dass es möglich ist, die Dosierung von Öl durch
eine von der Steuereinheit des Zufuhr- und Zündsystems gesteuerte Elektropumpe zu
steuern. Ein weiterer Vorteil ist die Schmierung des automatischen
Ventils 28, die andernfalls nur mit speziellen und äußerst beschwerlichen
Lösungen
möglich
ist.
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Demzufolge
sind gemäß der vorliegenden Erfindung
mehrere Vorteile hervorzuheben, beginnend mit dem thermodynamischen
Wirkungsgrad in Bezug auf Superspülung und Aufladung. Die Zentralisierung
vieler Funktionen auf einige wenige Hauptkomponenten, ohne dabei
in Bezug auf Stärke
und Komplexität
der Umsetzung Kompromisse einzugehen, hat deshalb die Verringerung
von Komponenten erlaubt, die für
den Betrieb des Kompressors geeignet sind, mit einer nachfolgenden
Verminderung des durch verschiedene bewegliche Teile bewirkten Lärms (beispielsweise
des Antriebsriemens bei analogen Systemen, die bisher vorliegen).
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Hervorzuheben
sind auch eine Beladung, die praktisch die selbe ist wie die einer
herkömmlichen Zweitakt-Brennkraftmaschine,
eine rasche Zugänglichkeit
und Wartung aller Hauptkomponenten, und die Möglichkeit, die Position der
Zündkerze
und des automatischen Ventils für
die Durchführung
der Schichtladung zu optimieren.
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Die
Summe der beschriebenen Vorteile macht diese Art von Motor besonders
für die
Massenproduktion geeignet.
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Es
ist somit einzusehen, dass alle Ziele der vorliegenden Erfindung,
die zuvor hervorgehoben wurden, erreicht worden sind.
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Die
damit konzipierte Zweitakt-Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung,
die eine pneumatisch unterstützte
Kraftstoffdirekteinspritzung verwendet, kann einer Vielzahl von Änderungen
und Varianten unterzogen werden, die alle unter den selben Erfindungsgedanken
fallen.
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Darüber hinaus
können
in der Praxis die verwendeten Materialien sowie ihre Abmessungen
und die Komponenten von jeder beliebigen Art entsprechend den technischen
Erfordernissen sein.