DE69006214T2

DE69006214T2 - Gesteuerte zerstreuung des eingespritzten brennstoffes.

Info

Publication number: DE69006214T2
Application number: DE69006214T
Authority: DE
Inventors: Steven Ross Claremont W.A. 6010 Ahern; Jorge Manuel Pereira West Leederville W.A. 6007 Dasilva
Original assignee: ORBITAL ENG AUSTRALIA
Current assignee: ORBITAL ENG AUSTRALIA
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2010-06-30
Also published as: DE69006214D1; MX174016B; CA2057853C; BR9007464A; JPH05507981A; KR0139927B1; AU638033B2; CA2057853A1; EP0479835B1; ES2050446T3; EP0479835A1; WO1991000422A1; JP2804172B2; AU5856290A; US5209200A; EP0479835A4; KR920702749A

Description

Diese Erfindung betrifft das Verbrennungsverfahren in Motoren mit innerer Verbrennung- insbesondere Zweitaktmotoren, und sie betrifft insbesondere die Kraftstoff-Luftaufbereitung innerhalb des Motors und die Verteilung des Kraftstoff- und Luftgemisches in der Brennkammer.
Bei der Einstellung der Kontaminierungen der Abgase eines Motors mit innerer Verbrennung ist es erforderlich, um eine effektive Verteilung des Kraftstoffes in der verdünnten Beladung innerhalb des Zylinders zu erhalten, daß die verdünnte Beladung aus Luft oder einer Mischung von Luft aufbereitet und Abgas zurückgehalten wird. Allerdings ist es bei der Aufbereitung der verbrennbaren Beladung mittels der Einleitung von Kraftstoff in die verdünnte Beladung erforderlich, zu verhindern, daß Kraftstoff in Bereiche der Brennkammer verteilt wird, die von der Zündstelle entfernt sind. Eine weite Verteilung des Kraftstoffes in der verdünnten Beladung führt zu lokalen Kraftstoffmlschungen, die mager sind und die deshalb schwierig zu zünden sind und/oder eine Aufrechterhaltung der Verbrennung schwierug gestalten. Brennbare, magere Mischungen begünstigen die Erzeugung von NOx, da die Verbrennung in einer sauerstoffreichen Mischung stattfindet, und nicht brennbare, magere Mischungen führen zu der Emission von Kohlenwasserstoffen in der form von unverbranntem Kraftstoff in dem Abgas.
Die Verteilung des Kraftstoffes in der Brennkammer ist besonders wichtig unter niedrigen Motorbelastungsbedingungen, wenn die Menge des Kraftstoffes, die pro Zyklus zugeführt wird, relativ gering ist, und deshalb muß deren Verbrennung aufrechterhalten werden, um eine effektive, zündbare und verbrennbare Mischung zu bilden. Allerdings ist es unter hohen Motorbelastungen erforderlich, im wesentlichen den gesamten Sauerstoff in der verdünnten Beladung zu verbrennen, was durch einen größeren Grad einer Verteilung des Kraftstoffes innerhalb der verdünnten Beladung erreicht werden kann, so daß der Kraftstoff ausreichendem Sauerstoff ausgesetzt wird, um brennbare Kraftstoffbeladungsmischungen zu erhalten, um die Luftausnutzung zu maximieren und eine effektive Verbrennung der relativ größeren Menge des Kraftstoffes, der dem Motor pro Zyklus unter den hohen Motorbelastungen zugeführt wird, zu erhalten.
Es ist früher vorgeschlagen worden, sich dahingehend zu bemühen, die Verteilung des Kraftstoffes in einem Motor mit einer vorgemischten Beladung durch Einstellung der Bewegung der Beladung beim Eintritt in die Brennkammer so zu steuern, daß ein Grad einer Schichtung des Kraftstoffes in der Brennkammer erhalten wird. Diese Steuerung der vorgemischten Beladung ist schwierig in einem Zweitaktmotor zu erhalten, da die Gasbewegung in der Brennkammer komplex ist und vielen Änderungen innerhalb dieses Teils des Motorzyklus unterliegen kann, während dem die Luft und Kraftstoffmischung in die Brennkammer eintritt, während zur gleichen Zeit die Abgase die Brennkammer verlassen.
In dem früheren US-Patent Nr. 4,719,880 des Anmelders wurde vorgeschlagen, den Kraftstoff direkt in die Motorbrennkammer einzuspritzen und eine Ausnehmung in dem Zylinderkopf vorzusehen, wobei der Kraftstoff in die Ausnehmung eingespritzt wird. In diesem früheren Vorschlag ist das Kraftstoffeinspritzsystem von einem Typ mit niedriger Penetration, so daß der Kraftstoff im wesentlichen innerhalb der Ausnehmung in dem Zylinderkopf enthalten ist.
Weiterhin ist die Ausnehmung in dem Zylinderkopf so geformt, um eine kreisförmige Bewegung der Beladung in dem Zylinder zu bilden, so daß der Kraftstoff, wenn er in die Ausnehmung eintritt, durch die Luftbewegung von der Einspritzdüse zu der Stelle der Zündung getragen wird. Dieses Verbrennungssystem begrenzt die Verteilung des Kraftstoffes innerhalb der Motorbrennkammer, so daß das Kraftstoff/Luftgemisch, das der Zündstelle zugeführt wird, von einer leicht zündbaren und verbrennbaren Art ist.
Das Verbrennungssystem, wie es in dem vorstehend angeführten Patent vorgeschlagen ist, ist besonders unter leichten und mittleren Motorbelastungsbedingungen wirkungsvoll, wo die Kraftstoffbefüllungsrate vergleichbar gering ist. Allerdings ist es, falls sich die Befüllungsraten erhöhen, um höhere Motorbelastungen zu erreichen, notwendig, einen größeren Verteilungsgrad des Kraftstoffes innerhalb der Brennkammer zu erhalten, so daß der Kraftstoff im we- sentlichen dem gesamten Sauerstoff über die gesamte Brennkammer oder zumindest einem ausreichenden Sauerstoff ausgesetzt wird, wodurch brennbare Kraftstoffbeladungsmischungen gebildet werden, um eine voll- ständige Verbrennung des Kraftstoffes zu erhalten, während auch Kraft- stoff enthalten ist, um eine leicht zündbare und verbrennbare Beladung um die Zündstelle herum zu bilden. Ohne eine erhöhte Verteilung des Kraftstoffes unter hohen Motorbelastungsbedingungen kann die momentane Leistungsabgabe des Motors begrenzt werden und der Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases kann aufgrund der unvollständigen Verbrennung des gesamten Kraftstoffes, der der Verbrennungskammer zugeführt wird, und/oder der unvollständigen Verwendung des gesamten Sauerstoffs in der verdünnten Beladung über die Verbrennungskammer erhöht werden.
In der GB-A-2039614 ist ein Brennkraftmotor offenbart, der eine Ausnehmung in dem Zylinderkopf besitzt, und eine Schale, die in der oberen fläche des Kolbens gebildet ist, wobei die Schale bzw. Mulde so angeordnet ist, daß Kraftstoff in Richtung der Schale durch eine Einspritzdüse gerichtet wird, die in der Ausnehmung angeordnet ist, und in der oberen Mittentotstellung des Kolbens die Schale und die Ausnehmung die Brennkammer festlegen. Die obere fläche des Kolbens ist im wesentlichen flach, wobei die Schale vollständig unterhalb dieser Fläche eingetaucht ist, und die Oberfläche nicht dazu beiträgt, den erforderlichen Gasbeladungsfluß innerhalb des Zylinders zu erhalten. Die FR-A-1338162 beschreibt verschiedene Konstruktionen eines Brennkraftmotors, wobei eine Schale entweder innerhalb der oberen Fläche des Kolbens oder durch einen Wulst gebildet ist, der sich nach oben von der oberen Fläche erstreckt, und wobei die Schale eine Hilfsbrennkammer in der oberen Mittentotstellung des Kolbens festlegt.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennkraftmotor anzugeben, bei dem eine verbesserte Vorbereitung des Kraftstoff- und Luftgemischs und dessen Verteilung innerhalb der Brennkammer geschaffen wird und der so verbessert und gesteuert werden kann, um die Steuerung des Grads der Emission in dem Abgas und die Leistungsabgabe des Motors zu erhöhen.
Gemäß der Erfindung wird ein Motor mit innerer Verbrennung angegeben, der einen Zylinder, einen Zylinderkopf an einem Ende des Zylinders, einen Kolben, der für eine sich umkehrende Bewegung in dem Zylinder befestigt ist, eine Ausnehmung in dem Zylinderkopf, eine Kraftstoffeinspritzdüse, die in der Ausnehmung in dem Zylinderkopf angeordnet ist, um Kraftstoff in einer Richtung in Richtung des Kolbens zuzuführen, aufweist, wobei der Kolben eine obere Fläche, die zu dem Zylinderkopf hin gerichtet ist, eine Schale bzw. Mulde in der oberen Fläche des Kolbens, die so positioniert ist, daß über mindestens die letzte Hälfte des Kompressionshubs des Kolbens die Schale in dem Zuführweg des Kraftstoffes von der Düse so angeordnet ist, daß Kraftstoff in die Schale zugeführt wird, und einen Wulst besitzt, der sich um den ümfang der Schale von der oberen Fläche des Kolbens derart erstreckt, daß die Schale teilweise in der oberen Fläche des Kolbens und teilweise durch den Wulst gebildet ist.
Die Schale bzw. Mulde in der Oberseite des Kolbens ist so angeordnet und aufgebaut, daß mindestens ein Teil des Kraftstoffes, der in die Schale eintritt, von der Basis der Schale auf einem Weg zurückprallt, der in Richtung der Ausnehmung in dem Zylinderkopf gerichtet ist. Vorzugsweise ist die Schale in dem Kolben im wesentlichen zu der Ausnehmung in dem Zylinderkopf ausgerichtet, und Insbesondere derart, daß die axiale Mittenlinie der Schale im wesentlichen mit dem Weg des Kraftstoffes, der von der Einspritzeinrichtung bzw. -düse zugeführt wird, in der Ausnehmung in dem Zylinderkopf angeordnet ist. Die Einspritzdüse ist vorzugsweise eines solchen Typs, der einen durchdringenden Kraftstoffsprühnebel erzeugt, so daß Kraftstoff, der davon abgegeben wird, einen ausreichenden Weg durchlaufen wird, um in die Schale einzutreten, die in einer Beziehung zu der Stellung des Kolbens in dem Zylinder zu dem Zeitpunkt der Zündung steht.
Es ist natürlich ausreichend bekannt, eine Schale in der oberen Fläche eines Kolbens zu bilden und Kraftstoff in einer Richtung abzugeben, daß er in die Schale eintritt. Hierbei handelt es sich um eine insbesondere herkömmliche Praxis bei Diesel- oder Kompressionszündmotoren. Die Nachteile einer Verwendung einer Schale in dem Kolben eines mittels Zündkerze gezündeten Motors, bei dem es sich grundsätzlich um einen leichteren Aufbau als Dieselmotoren handelt, sind diejenigen, daß die Bildung der Schale erfordert, daß die Dicke des Kopfes des Kolbens wesentlich vergrößert wird. Hierdurch wird das Gewicht des Kolbens erhöht und auch das Volumen des Metalls in dem Kolben, in dem ein Wärmeaufbau autreten kann. Es ist weiterhin ersichtlich, daß die Vorsehung einer Schale in dem Kolben den Oberflächenbereich, der den Verbrennungsgasen ausgesetzt wird, erhöht wird, und daß, je tiefer die Schale ist, desto größer die Vergrößerung des Oberflächenbereichs und der Dicke der Oberseite des Kolbens, ist und demzufolge je größer die Masse deto größer der Wärmeaufbau ist.
Jedoch wird, wenn die Schale vergleichbar flacher ist, somit die notwendige Dicke der Kolbenoberseite verringert, wobei die Effektivität der Schale in der Einstellung der Brennstoffverteilung merklich reduziert wird.
Die Vorsehung des vorstehenden, peripheren Wulstes um eine flache Schale führt zu einer exzentrischen, nach oben gerichteten Bewegung des Beladungsgases in dem Zylinder um den ümfang der Schale, wenn sich der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes bei dem Kompressionshub bewegt. Diese nach oben gerichtete Strömung der Luft um den ümfang der Schale bildet eine Vergrößerung des Kraftstoffinhalts innerhalb der Gasbeladung unmittelbar oberhalb der Schale. Auf diese Weise wird die Einstellung der Verteilung des Kraftstoffes in einer Art und Weise ähnlich derjenigen vergrößert, die mit einer viel tieferen Schale erhalten werden würde, während die vorstehend diskutierten Nachteile vermieden werden, die durch die Verwendung einer tiefen Schale in der Oberseite des Kolbens entstehen würden.
Die äußere Oberfläche des Wulstes ist vorzugsweise nach oben geneigt oder im Querschnitt konkav ausgebildet, um sich weich nach oben von der Oberfläche der Oberseite des Kolbens zu biegen. Die äußere Oberfläche des Wulstes kann zu der Achse der Schale zwischen 30º und 50º, z.B. etwa 45º, geneigt sein. In herkömmlicher Weise bildet der umlaufende Wulst einen wesentlichen Teil der Gesamttiefe der Schale, wie beispielsweise 50% oder mehr, vorzugsweise bis zu 75%.
Die Schale ist vorzugsweise von einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser von nicht mehr als 0,5 des Durchmessers des Zylinders, genauer ausgedrückt, vorzugsweise zwischen 0,25 und 0,35 des Zylinderdurchmessers. Die Gesamttiefe der Schale beträgt herkömmlicherweise bis zu 6 mm, oder vorzugsweise etwa 3 mm, und zwar von der oberen Oberfläche des Kolbens aus.
Die Schale an der Oberseite des Kolbens ist vorzugsweise im wesentlichen zu dem Strömungsweg des Kraftstoffes, der über die Düse zugeführt wird, so ausgerichtet, daß der Kraftstoff, der von der Düse ausgeht, auf die Basis bzw. den Boden der Schale aufprallt und von dort in Richtung der Ausnehmung in dem Zylinderkopf zurückprallt.
Die Ausnehmung in dem Zylinderkopf ist herkömmlicherweise von einer solchen Konfiguration, daß sie sich in einer im wesentlichen diametralen Richtung benachbart der Zylinderwand ausgehend zu einer Stelle gegenüberliegend zu dem Abgasauslaß erstreckt, wobei die Ausnehmung im wesentlichen gerade Seitenkanten in der diametralen Richtung deren Ausdehnung besitzt, wobei die Länge der Ausnehmung in Längsrichtung in dieser Richtung geringer als der Durchmesser des Zylinders ist und vorzugsweise zwischen etwa 0,5 und 0,8 des Durchmessers des Zylinders liegt.
Vorzugsweise besitzt die Basis bzw. der Boden der Ausnehmung in dem Zylinderkopf eine gleichmäßige, glatte Fläche, wobei die Ausnehmung eine maximale Tiefe von etwa 0,25 bis 0,55 des Durchmessers des Zylinders besitzt, vorzugsweise mehr als 0,35 und vorzugsweise weniger als 0,45. In herkömmlicher Weise liegt das Verhältnis der Länge der Ausnehmung in der Richtung deren Ausdehnung zu der maximalen Tiefe der Ausnehmung im Bereich von etwa 1 bis 3, vorzugsweise unterhalb von 2,5 und vorzugsweise über 1,5.
In einer bevorzugten Art besitzt die Ausnehmung eine Bodenfläche, die sich zwischen den Seitenwänden der Ausnehmung erstreckt, die eine im wesentlichen durchgehende Krümmung in der Richtung der Ausdehnung der Ausnehmung besitzt, mit dem tiefsten Teil im wesentlichen bogenförmig ausgebildet und der weich in die nahen, geraden Teile an jedem Ende übergeht, die sich zu der Fläche des Zylinderkopfes erstrecken. Die Bodenfläche der Ausnehmung an dem Abgasauslaßende ist eingelassen zu der Fläche des Zylinderkopfes geneigt und verläuft vorzugsweise im wesentlichen in Richtung der Normalen zu der diametralen Ebene des Zylinders, wo sie auf die Zylinderkopffläche trifft. Der andere, nahe, gerade Teil der Bodenfläche der Ausnehmung ist geringer eingelassen geneigt, wobei die Neigung in das andere Ende der Bodenfläche übergeht, die die Fläche des Zylinderkopfes in der Nähe des oberen Endes der Wand des Zylinders oberhalb des Einlaßdurchgangs trifft.
Die Form des Bodens der Ausnehmung und insbesondere der im wesentlichen gebogene Bereich an dem Ende der Ausnehmung gegenüberliegend zu demjenigen an dem Einlaßdurchgangsende unterstützt die Bildung einer Dreh- oder Verwirbelungsbewegung in der Beladung um eine Achse quer zu der Längsrichtung der Ausnehmung. Diese Dreh- oder Verwirbelungsbewegung der Beladung ist insbesondere unter niedrigen Kraftstoff-Füllraten vorteilhaft, da sie dazu tendieren wird, den Kraftstoff innerhalb der Ausnehmung zurückzuhalten, um eine wirksame Zündung und Verbrennung des Kraftstoff/Luftgemischs zu erhalten.
In dieser Hinsicht wird ersichtlich werden, daß unter niedrigen Kraftstoffbefüllungsraten, das heißt unter geringen Motorbelastungszuständen, die zeitliche Abstimmung der Kraftstoffeinspritzung normalerweise spät in dem Kompressionshub und die Zündung nahe dem Ende der Einspritzphase auftritt. Auch wird bei dieser späten Phase in dem Kompressionshub ein relativ hoher Grad der Verwirbelung in der Ausnehmung in dem Zylinderkopf erhalten werden, die die Aufrechterhaltung des Kraftstoffes, der unter schwacher Bela- dung in die verwirbelte Luft eingespritzt wird, unterstützt.
Unter mittleren und hohen Motorbelastungszuständen, wo die Kraftstoffbefüllungsrate wesentlich ist, ist es üblich, die Einspritzung des Kraftstoffes früher in den Kompressionshub verglichen mit der Einspritzzeitabstimmung unter niedriger Belastung und niedrigen Kraftstoffbefüllungsraten einzuleiten. Demzufolge findet die Zündung des Kraftstoffes dann statt, wenn die Verwirbelungsrate, die durch die Ausnehmung in dem Zylinderkopf erzeugt wird, gering ist, und demzufolge wird der Krafstoff weiterhin in die Gasbeladung eindringen und über einen weiteren Bereich fein verteilt. Diese weitgestrecktere Verteilung des Kraftstoffes kann zu einer Explosion führen, die allgemein als "Klopfen" bezeichnet wird und die zu einer unzureichenden Emissionsregelung führen kann.
In einem Motor, der einen Kolben mit einer flachen oder gewölbten Oberseite mit einer relativ hohen durchdringenden Versprühung verwendet, tendiert Kraftstoff von der Einspritzeinrichtung, der auf den Kolben auftrifft, dazu, nach außen über die obere Oberfläche des Kolbens in Richtung der Zylinderwände zu strömen.
Um ein Kraftstoffgemisch mit Luft, die in Bereichen vorhanden ist, die von der Stelle der Zündung entfernt sind, zu vermeiden, ist die Schale in der Oberseite des Kolbens vorgesehen, um die Aufnahme des Kraftstoffes zu unterstützen.
Falls sich der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes während des Kompressionshubs bewegt, ist eine Luftströmung vorhanden, die von den Außen- oder Umfangsflächen des Zylinders in Richtung der Ausnehmung in dem Zylinderkopf strömt. Weiterhin wird während der Zündung des Kraftstoffes in der Brennkammer unter mittleren oder hohen Belastungszuständen der Kraftstoff einen Bereich nach unten zu dem Zylinder durchdringen, um auf der Basis der Schale in dem Kolben aufzuprallen. Der Aufprall des Kraftstoffes auf der Basis der Schale wird ein Zurückprallen des Kraftstoffes im wesentlichen in eine nach oben gerichtete Richtung zu der Ausnehmung in dem Zylinderkopf hin verursachen.
Die Rückprallbewegungen der Krafstoff- und Luftbeladung kombiniert mit der Gesamtbewegung der Beladung in dem Zylinder in Richtung der Ausnehmung in dem Zylinderkopf wird bei der Verringerung der radialen Dispersion des Kraftstoffes unterstützend wirken. Weiterhin unterstützt der abstehende Wulst um den Umfang der Schale den vorstehenden Effekt, da die konkave, äußere Oberfläche des Wulstes eine nach oben gerichtete Strömung der Luft um den Umfang der Schale unterstützt, wenn sich der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes bewegt, um auch den Inhalt des Kraftstoffes zu beteiligen. Demzufolge wird die Wanderung des Kraftstoffes in die Umfangsflächen des Zylinders, wo eine Explosion der Beladung dazu führen kann, daß ein hohes Ansteigen der Kohlenwasserstoffemission auftritt, in großem Maß verhindert.
Insbesondere intensiviert die Schale in dem Kolben und deren Wulst, der von der Oberseite des Kolbens vorsteht, die nach oben gerichtete Bewegung der Luftbeladung in dem Bereich, wo der Kraftstoff von dem Kolben zurückprallt, so daß der Kraftstoff nicht in hohe Zusammenpressungs-Bereiche zwischen dem Kolben und dem Zylinderkopf getragen wird, wo er zu hohen Emissionspegeln führen kann und wo eine Explosion auftreten kann.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine praktische Anordnung einer Brennkraftmaschine beschrieben, die die vorliegende Erfindung einsetzt, wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist.
Figur 1 zeigt einen axialen Querschnitt des Motors und des Zylinderkopfes;
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Zylinderkopfes von der Unterseite;
Figuren 3A und 3B stellen jeweils eine Draufsicht und einen Querschnitt des Kolbens dar.
Wie die Zeichnungen zeigen, besitzt der Zylinder 5 einen Kolben 6, der darin für eine umkehrende Bewegung in der axialen Richtung des Zylinders angeordnet und mit einer nicht in der Zeichnung dargestellten Kurbelwelle verbunden ist. Die Umfangswand 7 des Zylinders besitzt einen Abgasauslaß 8 und einen diametral gegenüberliegenden Einlaß oder eine Durchlaßöffnung 9, die in zwei Teile unterteilt ist. Ein Paar zusätzlicher Durchlaßöffnungen 10 und 11 sind im wesentlichen symmetrisch an jeder Seite der Durchlaßöffnung 9 angeordnet.
Das obere Ende des Zylinders 5 ist durch einen abnehmbaren Zylinderkopf 12 verschlossen, der einen Hohlraum 13 besitzt, der darin in einer exzentrischen Stellung im Hinblick auf die Zylinderachse 20 gebildet ist. Eine Öffnung ist in der Oberseite des Hohlraums gebildet, in der eine Kraftstoffeinspritzdüse 14 befestigt ist, und eine Öffnung 15 ist an dem inneren Ende des Hohlraums für die Aufnahme einer herkömmlichen Zündkerze gebildet. Der Kopf 17b des Kolbens 6 ist leicht gewölbt und die gegenüberliegende Unterfläche 16 des Zylinderkopfes 12 besitzt eine komplementär konkave Form mit Ausnahme der Vorsehung einer Ausnehmung 13 darin.
Die Ausnehmung 13 ist im wesentlichen symmetrisch zu der Axialebene des Zylinders angeordnet, die sich durch die Mitte der Durchgangsöffnung 9 und des Abgasauslasses 8 erstreckt. Die Ausnehmung 13 erstreckt sich über den Zylinder von der Zylinderwand unmittelbar oberhalb der Durchgangsöffnung 9 zu einer entfernten Stelle nach der Zylindermittenlinie 20.
Wie früher beschrieben ist, ist die Querschnittsform der Ausnehmung 13 entlang der Axialebene des Zylinders im wesentlichen bogenförmig an der Basis 24, wobei die Mittenlinie 21 des Bogens etwas näher an der Mittenlinie 20 des Zylinders ist als die Zylinderwand oberhalb der Durchgangsöffnung 9. Das Ende der bogenförmigen Basis 24, das sich näher zu der Zylinderwand oberhalb der Durchgangsöffnung 9 befindet, geht mit einer im wesentlichen geraden Fläche 25 über, die sich zu der Unterfläche 16 des Zylinderkopfes 12 an der Zylinderwand 7 erstreckt. Die Fläche 25 ist nach oben von der Zylinderwand 7 zu der bogenförmigen Basis 24 der Ausnehmung geneigt.
Das gegenüberliegende oder innere Ende der bogenförmigen Basis 24 geht mit einer relativ kurzen, im wesentlichen vertikalen Fläche 26 über, die sich zu der Unterfläche 16 des Zylinderkopfes 12 erstreckt. Die Fläche 26 verläuft im wesentlichen parallel zu der Zylinderachse, so daß sie die Unterfläche mit einem relativ stumpfen Winkel trifft. Die gegenüberliegenden Seitenwände 27 und 28 der Ausnehmung verlaufen im wesentlichen flach und parallel zu der Axialebene des Zylinders und sie treffen so auch auf die Unterfläche 16 des Zylinderkopfes unter einem stumpfen Winkel.
Der Kolben 6 besitzt eine obere Fläche oder Deckplatte 30 einer leicht gewölbten oder konvexen Form um den Umfang, wie dies in Figur 1 zu sehen ist. Die Schale 31 an dem Kolben ist teilweise durch eine Vertiefung in der Kolbendeckplatte 30 und durch einen Rand bzw. Wulst 32 gebildet, der die Vertiefung umgibt und sich von der Kolbendeckplatte abstehend erstreckt. Die Schale 31 besitzt einen kreisförmigen Querschnitt in Richtung der Normalen der Zylinder- und Kolbenachse 20 und ist von der Kolbenachse in Richtung der Seite der Durchlaß- oder Einlaßöffnung 9 des Zylinders versetzt. Diese versetzte Anordnung der Schale 31 richtet die Schale im wesentlichen mit der Richtung des Weges des Kraftstoffes, der durch die Kraftstoffeinspritzdüse 14 zugeführt wird, aus.
Die innere Oberfläche 33 der Schale ist im wesentlichen zylindrisch und an die innere Oberfläche des Wulstes 32 anstoßend ausgebildet. Die äußere Oberfläche 34 des Wulstes ist nach innen und nach oben mit 30º zu der Achse der Schale 31 geneigt, um einen weichen Übergang zwischen der im wesentlichen rechtwinklig ausgerichteten Deckplatte 30 des Kolbens und dem Wulst 32 zu bilden. Die konkave form der äußeren Oberfläche 34 trägt auch wesentlich zu der Richtung der Beladungsströmung zu der Ausnehmung 13 während des Kompressionshubs des Kolbens bei.
In einem herkömmlichen Kolben mit einer flachen Oberseite oder einer niedrigen Deckplatte wird, da sich der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes bewegt, und nachdem die Einlaß- und die Auslaßdurchgänge geschlossen sind, eine Ladungskompression, hauptsächlich Luft, auftreten, die in dem Zylinder eingeschlossen ist. Dies wird zu einer gewissen Bewegung der Beladung nach innen von den ümfangsflächen des Zylinders führen, um in die Ausnehmung 13 einzutreten, wenn sich der Kolben in dem Zylinder anhebt. Allerdings wird aufgrund der kontinuierlichen Art der oberen Oberfläche des Kolbens ein Grad einer Turbulenz in der Luftströmung in der Nähe der Mitte des Zylinders auftreten.
Kraftstoff, der durch die Kraftstoffeinspritzdüse in diese turbulente Luft zugeführt wird und/oder Kraftstoff, der von der Kolbenabdeckplatte in die turbulente Luft zurückprallt, kann in Richtung der Umfangsfläche des Zylinders aufgrund der Turbulenz getragen werden. Die hohen Zusammenpressungseffekte in der Umfangsfläche des Zylinders führen in geeigneter Weise zu einer Detonation des Kraftstoff/Luftgemisches. Eine Detonation tritt insbesondere bei hohen Motorbelastungen auf, wenn die Kraftstoffrate hoch ist, und demzufolge ist die Wahrscheinlichkeit einer Bewegung des Kraftstoffes zu den Umfangsbereichen aufgrund einer Turbulenz hoch.
Die Vorsehung der Schale 31 in dem Kolben und die nach oben überstrichene äußere Fläche des Wulstes 32 der Schale begünstigt eine gleichmäßigere Strömung der Luftbeladung, da sich der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes bewegt. Die Luft, die sich nach innen von der Umfangsfläche des Zylinders bewegt, wird zu einer nach oben gerichteten Strömungsrichtung in einer gleichmäßigeren und kontrollierten Art durch Verringerung des Grades der Turbulenz in ihrer Richtung geändert. Hierdurch ist der Kraftstoff mehr in der sich nach oben bewegenden Luft vorhanden und auf diese Weise wird die Bewegung des Kraftstoffes zu der Umfangsfläche des Zylinders verringert. Insbesondere während hoher Befüllungsraten des Kraftstoffes, der durch die Einspritzdüse 14 in die Schale 31 gerichtet wird, prallt er von dem Boden der Schale in einer im wesentlichen nach oben gerichteten Richtung zurück. Dieser zurückprallende Kraftstoff wird in der sich nach oben bewegenden Luftströmung mitgerissen, die von der äußeren Oberfläche des Wulstes 32 der Schale kommt, und wird nach oben zusammen mit dieser geführt.
Die vorstehend besprochene Steuerung der Luft- und Kraftstoffströmung während des Kompressionshubs des Kolbens führt zu einer wesentlichen Verringerung oder einer Verhinderung der Zündung insbesondere bei hohen Befüllraten und/oder zu einer Regelung der Emission.
In einer speziellen Ausführungsform eines Zweitaktmotors, der die vorliegende Erfindung einsetzt, beträgt die Bohrung des Zylinders 85 mm mit dem Hohlraum, der eine Länge in Richtung durch die Mitte des Zylinders von 52 mm und eine Breite von 43 mm besitzt. Die Mittenlinie 21 der gebogenen Basis 24 ist von der Mittenlinie 20 des Zylinders um 12 mm und von der Ebene der niedrigen Fläche des Kopfes 12 um 28 mm versetzt. Der Radius der gebogenen Basis beträgt 23 mm.
Der Kolben 6 besitzt einen Durchmesser oder eine Länge in der Richtung durch die Mitte des Zylinders von 84 mm, wobei die Schale 31 einen Durchmesser oder eine Länge von 32 mm besitzt. Die Mittenlinie 22 der Schale ist von der Mittenlinie 20 des Kolbens um 11,15 mm versetzt. Die Schale besitzt eine Tiefe von 3 mm unterhalb der oberen Oberfläche des Kolbens und ihr abstehender Wulst besitzt eine Höhe von 3 mm oberhalb der Oberfläche des Kolbens mit ihrer äußeren, konkaven Oberfläche unter 30º dazu geneigt.
Wie in Figur 1 zu sehen ist, ist die Anordnung des Durchgangswegs 30, der zu der Durchgangsöffnung 9 führt, nach oben zu dem Zylinderkopf 12 derart hin geneigt, daß die Beladung, die in den Zylinder über die Durchgangsöffnung 9 eintritt, in ähnlicher Weise nach oben in den Hohlraum 13 gerichtet wird. Die Durchgangsöffnungen 10 und 11 sind in ähnlicher Weise geformt, um die Beladung nach oben in Richtung der Ausnehmung 13 zu richten, und sie sind in Richtung der mittigen Durchgangsöffnung 9 so geneigt, um die Strömung der Ladung durch die Durchgänge 10 und 11 nach innen zu der Ausnehmung 13 hin zu richten.
Die allgemeine Richtung der eintretenden Luftbeladung verläuft nach oben in die Ausnehmung 13 in den Zylinderkopf, um an dem Bereich benachbart zu der Zylinderwand 7 einzutreten. Der Teil der Beladung, der in die Ausnehmung eintritt. wird zu einer drehenden oder wirbelförmigen Bewegung durch die bogenförmige Form der Basis der Ausnehmung überführt. Die nach oben gerichtete Bewegung in der eintretenden Beladung an der linken Seite des Zylinders verschiebt, wie in Figur 1 zu sehen ist, die Abgase von dem vorhergehenden Takt in Richtung der rechten Seite des Zylinders und demzufolge in Richtung des Abgasauslasses 8. Zusätzlich spült die zirkulierende Bewegung der ankommenden Beladung, die in die Ausnehmung 13 eintritt, die Abgase aus der Ausnehmung und begünstigt deren Strömung in Richtung des Abgasauslasses 8.
Die anfängliche Strömung der Beladung durch die Durchgangsöffnungen in dem Zylinder werden, während der Kolben unter einem beträchtlichen Abstand nach unten zu dem Zylinder verschoben ist, eine anfängliche Drehung oder verwirbelnde Bewegung der Beladung in der Ausnehmung 13 und dem angrenzenden Bereich des Zylinders hervorrufen. Wenn sich der Kolben nach oben in dem Zylinder bewegt, wird die Luft in den Zylinder in Richtung der Ausnehmung bewegt werden, wodurch sie in der wirbelförmigen Beladung mitgerissen wird. Dies wird auch die Beladung in ein kleineres Volumen zusammenpressen und somit die Rotationsgeschwindigkeit der Beladung in der Ausnehmung erhöhen.
Die steile Neigung der Fläche 26 der inneren Endwand und der gegenüberliegenden Seitenwände 27 und 28 der Ausnehmung 13 wirkt unterstützend bei der Zurückhaltung der sich drehenden Beladungswolke in der Ausnehmung. Auch bewegt sich, wenn sich der Kolben in dem Zylinder nach oben bewegt, die Beladung, die zwischen der Kolbendeckplatte und dem Zylinderkopf eingeschlossen ist, in Richtung und in die Ausnehmung 13 über diese steilen Wände. Diese Beladungsbewegung führt zu der Aufrechterhaltung einer sauerstoffreichen Wolke in der Ausnehmung, um die Verbrennung des Kraftstoffes darin zu unterstützen.
Weitere Informationen, die die Charakteristiken der Ausnehmung 13 in dem Zylinderkopf betreffen und deren Eigenschaften unter geringen Kraftstoffbefüllungsraten sind in dem US-Patent Nr. 4,719,880 offenbart und die Offenbarung dort wird hier unter Bezugnahme darauf eingeschlossen.
Ein Kraftstoffdosier- und Einspritzverfahren und eine Vorrichtung, die für eine Dosierung und eine Zuführung von Kraftstoff zu einem Motor geeignet ist, arbeitet so, wie dies im Detail in dem US-Patent Nr. 4,693,224 offenbart ist, und deren Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die Lehre des Kraftstoffdosier- und Einspritzverfahrens und der -vorrichtung darin eingeschlossen.
Die Betriebsweise und der Aufbau eines Motors mit innerer Verbrennung, wie er hier offenbart ist, kann in verschiedenen Formen von Zweitaktmotoren verwendet werden, einschließlich für oder eingebaut in Fahrzeugen zur Verwendung auf dem Land, auf See oder in der Luft, einschließlich solcher Motoren in oder für Motorfahrzeuge, Boote oder Flugzeuge. Insbesondere können die Motoren, wie sie hier beschrieben sind, in einem Boot, einem Fahrzeug oder einem Flugzeug eingebaut werden, um diese anzutreiben, und schließen Außenbord-Bootsmotoren ein.

Claims

1. Motor mit innerer Verbrennung, der einen Zylinder, einen Zylinderkopf an einem Ende des Zylinders, einen Kolben, der für eine sich umkehrende Bewegung in dem Zylinder befestigt ist, eine Ausnehmung in dem Zylinderkopf, eine Kraftstoffeinspritzdüse, die in der Ausnehmung in dem Zylinderkopf angeordnet ist, um Kraftstoff in einer Richtung in Richtung des Kolbens zuzuführen, aufweist, wobei der Kolben eine obere Fläche, die zu dem Zylinderkopf hin gerichtet ist, eine Schale in der oberen Fläche des Kolbens, die so positioniert ist, daß über mindestens die letzte Hälfte des Kompressionshubs des Kolbens die Schale in dem Zuführweg des Kraftstoffs von der Düse so angeordnet ist, daß Kraftstoff in die Schale zugeführt- wird, und einen Wulst besitzt, der sich um den ümfang der Schale von der oberen Fläche des Kolbens derart erstreckt, daß die Schale teilweise in der oberen Fläche des Kolbens und teilweise durch den Wulst gebildet ist.

2. Motor nach Anspruch 1, wobei die Schale in dem Kolben so angeordnet ist, daß, über im wesentlichen den gesamten Kompressionshub des Kolbens, die Schale in dem Zuführweg des Kraftstoffes von der Düse angeordnet ist.

3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die äußere Oberfläche des Wulstes so in ihrer Kontur geformt ist, daß sie sich nach oben von der oberen Fläche des Kolbens zu der oberen Kante des Wulstes gebogen erstreckt.

4. Motor nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Schale einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt besitzt und die Achse der Schale im wesentlichen zu der Achse der Kraftstoffeinspritzdüse ausgerichtet ist.

5. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schale und der Wulst jeweilige innere Umfangsflächen aufweisen, die aneinanderstoßend angeordnet sind.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die äußere Umfangsfläche des Wulstes eine konkave Kontur besitzt.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die äußere Umfangsfläche des Wulstes nach oben und nach innen unter einem Winkel von etwa 45º zu der Achse der Schale geneigt ist.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die äußere Umfangsfläche des Wulstes nach oben und nach innen unter einem Winkel von 30º bis 50º zu der Achse der Schale geneigt ist.

9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schale und der Wulst eine Gesamttiefe von etwa 5 bis 8 mm aufweisen.

10. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Tiefe der Schale in dem Kolben etwa die Hälfte der Gesamttiefe der Schale und des Wulstes ist.

11. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Zweitaktmotor Einlaß- und Auslaßdurchgänge in der Zylinderwand mit mindestens einem Einlaßdurchgang an einer im wesentlichen gegenüberliegenden Stelle in dem Zylinder zu dem Auslaßdurchgang besitzt und sich die Ausnehmung in dem Zylinderkopf in einer im wesentlichen diametralen Richtung von einer Stelle angrenzend an der Zylinderwand zu einer Stelle gegenüberliegend zu dem Auslaßdurchgang erstreckt, und wobei die Ausnehmung im wesentlichen gerade Seitenkanten in der diametralen Richtung ihrer Ausdehnung besitzt, wobei die Länge in Längsrichtung der Ausnehmung geringer als der Durchmesser des Zylinders ist.

12. Motor nach Anspruch 11, wobei die Schale in dem Kolben zu der Achse des Zylinders in der diametralen Richtung in der Ausdehnung der Ausnehmung in dem Zylinderkopf versetzt ist, so daß die Schale im wesentlichen unterhalb der Ausnehmung ausgerichtet ist.

13. Motor nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Länge in Längsrichtung der Ausnehmung zwischen 0,5 und 0,8 des Durchmessers des Zylinders beträgt.

14. Motor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die im wesentlichen geraden Seitenkanten der Ausnehmung um einen Abstand von 0,35 bis 0,65 des Durchmessers des Zylinders voneinander beabstandet sind.

15. Motor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Ausnehmung im wesentlichen parallele, gegenüberliegende Seitenwände besitzt, die sich von den im wesentlichen geraden Seitenkanten erstrecken.

16. Motor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Verhältnis der Länge der Ausnehmung in der Längsrichtung zu der maximalen Tiefe der Ausnehmung in dem Bereich von 1 bis 3 liegt.

17. Motor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die maximale Tiefe der Ausnehmung 0,35 bis 0,45 des Zylinderdurchmessers beträgt.

18. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung in dem Zylinderkopf in der Tiefe stark von einem Ende benachbart zu der Zylinderwand zu einer Stelle einer maximalen Tiefe ansteigt und von dort zunehmend in einer Tiefe zu dem anderen Ende der Ausnehmung abnimmt, wobei die Basis der Ausnehmung eine im wesentlichen konkave Oberfläche zu dem Kolben hin bildet, was bewirken wird, daß Gas, das in die Ausnehmung an diesem Ende eintritt, einer Drehbewegung um eine Achse transversal zu der Längsrichtung der Ausnehmung unterworfen wird, wenn das Gas durch die Ausnehmung hindurchtritt, wobei das Gas beim Verlassen der Ausnehmung dazu bewegt wird, sich in Richtung des einen Endes der Ausnehmung zu bewegen.

19. Motor nach Anspruch 18, wobei die Stelle der maximalen Tiefe der Ausnehmung zunehmend von der Zylinderwand unter einem Abstand zwischen 0,25 und 0,5 des Zylinderdurchmessers beabstandet ist und wobei die maximale Tiefe 0,25 bis 0> 55 des Durchmessers des Zylinders beträgt, wenn dies von der diametralen Ebene der Fläche des Zylinderkopfes, die zu dem Kolben hin gerichtet ist, gemessen wird.

20. Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schale einen flachen Bodenaufbau besitzt, der Kraftstoff, der in die Schale zugeführt wird, entlang eines Wegs im wesentlichen umgekehrt zu einer Richtung des einströmenden Kraftstoffes richtet, und wobei der Wulst, der von der Oberfläche des Kolbens absteht, so geformt ist, daß er eine Luftströmung in der umgekehrten Richtung der Kraftstoffströmung um den Umfang der Schale bildet, um die sich umkehrende Kraftstoffströmung während dem letzten halben Kompressionshub im wesentlichen zu umgeben und dadurch aufzunehmen.