Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Zweitakt- Ottomotors mit wenigstens einem einen Kolben aufnehmenden Zylinder, mit ei- nem Kurbelgehäuse, das mit dem Brennraum des Zylinders auf beiden Seiten einer durch die Achse eines Auslasskanals bestimmten Durchmesserebene des Zylinders über Überströmkanäle strömungsverbunden ist, und mit zwei beidseits der Durchmesserebene angeordneten Einspritzdüsen für Kraftstoff, deren Düsenachsen in der unteren Totpunktlage des Kolbens oberhalb des Kolbenbodens und zumindest angenähert in Ausström richtung der jeweils auf der gegenüberliegenden Seite der Durchmesserebene vorgesehenen Überströmkanäle verlaufen, wobei der Kraftstoff zumindest im Leerlauf je Arbeitszyklus nur über eine der Einspritzdüsen eingespritzt wird.

Stand der Technik Um eine entsprechende Verdampfung des Kraftstoffs auf dem heißen Kolbenboden von Zweitakt-Verbrennungsmotoren zu ermöglichen, ist es bekannt (EP 0 302 045 A2), den Kraftstoff mit Hilfe von Einspritzdüsen gegen den Kolbenboden zu spritzen, doch hat sich gezeigt, dass die innerhalb der Takte zur Verfügung stehende Zeit hiefür nicht ausreicht und daher die Nachteile der mit Kraftstoff benetz- ten Kolben- und Zylinderwandflächen insbesondere hinsichtlich der Kohlenwasserstoffemissionen durchschlagen. Zur Vermeidung dieser Nachteile wurde bereits vorgeschlagen (WO 2010/063048 A1 ), die Einspritzdüsen einander bezüglich einer durch die Achse eines Auslasskanals bestimmten Durchmesserebene des Zylinders symmetrisch gegenüberliegend so anzuordnen, dass sich Düsenachsen in der unteren Totpunktlage des Kolbens oberhalb des Kolbenbodens in der Durch- messerebene schneiden, und zwar auf der vom Auslasskanal abgewandten Seite der Zylinderachse. Da die Düsenachsen außerdem angenähert in Ausströmrichtung der jeweils auf der gegenüberliegenden Seite der Durchmesserebene vorgesehenen Überström kanäle verlaufen, kann zwischen der in Richtung der Dü- senachse eingespritzten Kraftstoffströmung und der aus dem jeweils gegenüberliegenden Überström kanal in den Brennraum einströmenden Luft die aufgrund der entgegengerichteten Geschwindigkeitskomponenten jeweils größte Relativgeschwindigkeit für die Kraftstoffaufbereitung genützt werden, was im Zusammenwirken mit der Anordnungssymmetrie beim Einsatz beider Einspritzdüsen und da- mit im Bereich höherer Teillasten und im Volllastbetrieb zu einer vorteilhaften Gemischverteilung im Brennraum führt. In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, dass die Kraftstoffstrahlen und die entgegengerichteten Luftströmungen oberhalb des Kolbenbodens aufeinandertreffen, was zu einer vom Kolbenboden weg gegen den Zylinderkopf gerichteten Strömung des sich bildenden Gemischs führt und daher eine Kohlenwasserstoffemissionen bedingende Benetzung des Kolbenbodens mit Kraftstoff verhindert. Der Schnittpunkt der Düsenachsen auf der vom Auslasskanal abgewandten Seite der Zylinderachse verlagert die für die Gemischaufbereitung wesentliche Auffächerung der eingespritzten Kraftstoffstrahlen mit Hilfe der durch die Überströmkanäle gegensinnig zum Kraftstoff eingeblasenen Luft in die vom Auslasskanal abgekehrte Zylinderhälfte, sodass Spülverluste weitgehend vermieden werden können.

Wird für den Leerlauf und den unteren Teillastbereich nur eine Einspritzdüse eingesetzt, so wird der Kraftstoff durch diese Einspritzdüse nicht in den Brennraum oberhalb des Kolbenbodens, sondern durch eine Mantelöffnung des Kolbens auf der der Einspritzdüse zugekehrten Umfangsseite in das Kurbelgehäuse eingespritzt. Durch die Strömungsbewegung im Kurbelgehäuse und an der Kolbenunterseite kommt es zu einer weitgehenden Gleichverteilung des eingespritzten Kraftstoffs und in Folge zu einem gleichmäßigen Eintrag des Kraftstoff luftgemischs durch die Überström kanäle in den Brennraum des Zylinders. Damit kann auch im Leerlauf und im unteren Teillastbereich eine symmetrische Kraftstoffverteilung im Brennraum gewährleistet werden, allerdings mit allen durch eine Mantelöffnung im Kolben verbundenen Nachteilen hinsichtlich des Konstruktionsaufwands, der Kol- benfestigkeit und der Wärmeabfuhr über den Kolben auf den Zylinder. Dazu kommt, dass die Einbringung des Kraftstoffs in den Brennraum durch die Über- Strömkanäle ausschließlich von den Steuerzeiten der Überströmkanäle abhängt, was entsprechende Spülverluste bedingt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines Zweitakt- Ottomotors mit einer vorteilhaften Gemischaufbereitung sowohl im Vollastbereich als auch im Leerlauf oder im unteren Teillastbereich bei verringerten Kohlenwasserstoffemissionen und geringen Spülverlusten zu ermöglichen.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Kraftstoff durch die im Leerlauf und im unteren Teillastbereich angesteuerte der beiden als Niederdruckdüsen ausgebildeten Einspritzdüsen mit vermindertem Impuls in den Brennraum des Zylinders eingespritzt wird.

Durch das Ansteuern lediglich einer Einspritzdüse im Leerlauf und im unteren Teillastbereich kann zunächst die für diese Motorbelastungen ausreichend kleine Kraftstoff menge in einem zur Vermeidung von Kraftstoff spül Verlusten günstigen Zeitfenster in den Brennraum des Zylinders eingespritzt werden. Da die Luftspülverluste davon nicht berührt werden, ergibt sich ein noch magereres Abgasge- misch im Auspuff, was wegen des erhöhten freien Sauerstoffanteils im Abgas in Verbindung mit einem Katalysator eine gute Wasserstoff-Kohlenstoff-Umsetzung ermöglicht. Trotz der unsymmetrischen Kraftstoffeinspritzung über nur eine der beiden Einspritzdüsen kann eine gute Gemischbildung und -Verteilung im Brennraum aufrechterhalten werden, weil der Kraftstoff durch eine Niederdruckdüse mit vermindertem Impuls eingespritzt wird. Als Niederdruckdüsen werden dabei Einspritzdüsen verstanden, die mit einem Druck bis 50 bar beaufschlagt werden. Der eingespritzte Kraftstoff wird mit der durch die Überströmkanäle in den Brennraum einströmenden, vom Kolbenboden abhebenden Verbrennungsluft mitgerissen und verteilt sich vorteilhaft im Brennraum. Es können somit die Vorteile herkömmlicher Kolben ohne Mantelöffnung genützt werden, ohne Nachteile hinsichtlich der Ge- mischaufbereitung und der Emissionen im Leerlauf und im unteren Teillastbereich in Kauf nehmen zu müssen. Damit vorteilhafte Druckverhältnisse für die Kraftstoffeinspritzung genützt werden können, liegen die Durchtrittsöffnungen in der Zylinderwand für die Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum unterhalb der Steuerkante des Auslasskanals, sodass die Einspritzdüsen nur mit den geringen Drücken am Ende der Expansionsphase belastet und vor Verbrennungsrückständen durch Ablagerungen bewahrt werden. Wie sich in der Praxis herausgestellt hat, ist es für eine vorteilhafte Kraftstoffverteilung im Brennraum des Zylinders nicht erforderlich, dass sich die Düsenachsen auf der vom Auslasskanal abgewandten Seite der Zylinderachse in der durch den Auslasskanal bestimmten Durchmesserebene des Zylinders schneiden, um eine Hauptströmung des Kraftstoff-Luftgemischs in dieser Durchmesserebene zu errei- chen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass auch die rückladende Welle des Auspuffs wie die Spülstrahlen zur Kraftstoffverteilung im Brennraum genützt werden kann. Allerdings werden die günstigsten Einspritzbedingungen erzielt, wenn der Kraftstoff entlang der einander in der Durchmesserebene schneidenden Düsenachsen in den Brennraum eingespritzt wird. In diesem Fall kann auch der Kraftstoff durch die im Leerlauf und im unteren Teillastbereich angesteuerte Einspritzdüse in einem Kurbelwinkelbereich eingespritzt werden, in dem sich der Kolbenboden unterhalb des Schnittpunkts der Düsenachsen bewegt.

Besonders günstige Verfahrensbedingungen ergeben sich, wenn die beiden Einspritzdüsen im Leerlauf und im unteren Teillastbereich zumindest in aufeinander- folgenden Arbeitszyklusgruppen, bevorzugt in aufeinanderfolgenden Arbeitszyklen, abwechselnd angesteuert werden, weil die abwechselnde Beaufschlagung der Einspritzdüsen zu einem gleichmäßigen Verschleiß dieser Einspritzdüsen führt. Außerdem wird die Verkokungsgefahr deutlich herabgesetzt. Dies ist in Verbindung mit einem geschlossenen Kolbenmantel im Hinblick auf den Umstand von Bedeutung, dass bei geschlossenem Kolbenmantel die Kühlung der Düsenspitzen über das Kurbelgehäuse wegen der fehlenden Mantelöffnung weitgehend entfällt. Außerdem führt eine abwechselnde Beaufschlagung der beiden Einspritzdüsen zu einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung im Zylinder und unterstützt somit eine symmetrische Spülung. Hinsichtlich der Kraftstoffverteilung beim Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum des Zylinders bringen Mehrlochdüsen Vorteile aufgrund der möglichen Sprühverteilung des eingespritzten Kraftstoffs mit sich, was sich insbesondere bei einer einseitigen Kraftstoffeinspritzung mit vermindertem Impuls günstig auf die Gemischverteilung im Brennraum auswirkt. Diese Mehrlochdüsen spritzen nämlich den Kraftstoff bei geringen Einspritzmengen trotz gleichbleibender Druckbeaufschlagung mit einem deutlich niedrigeren Impuls in den Brennraum, sodass es hierfür keiner Drucksteuerung bedarf, wiewohl durch eine Steuerung des Beaufschlagungsdrucks eine genauere Anpassung an die jeweiligen Anforderungen möglich wäre. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Zweitakt-Ottomotor in einem Querschnitt im Bereich der Ausströmöffnungen der Überströmkanäle,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 ,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2 und

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig, 2.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Vom Motorblock eines Zweitakt-Ottomotors ist in der Zeichnung lediglich ein Zy- linder 1 ohne Zylinderkopf angedeutet. Der in der unteren Totpunktlage gezeichnete Kolben ist mit 2 bezeichnet und weist einen Kolbenboden 3 auf. Auf der dem Auslasskanal 4 gegenüberliegenden Zylinderseite sind symmetrisch zu einer durch die Achse des Auslasskanals 4 bestimmten Durchmesserebene 5 zwei Einspritzdüsen 6, 7 vorgesehen, deren Düsenachsen 8 sich in der Durchmesserebe- ne 5 schneiden, und zwar in einem Schnittpunkt 9, der in der gezeichneten unte- ren Totpunktlage des Kolbens 2 oberhalb des Kolbenbodens 3 liegt, wie dies insbesondere der Fig. 2 entnommen werden kann.

Zwischen dem lediglich strichpunktiert angedeuteten Kurbelgehäuse 10 und dem Verbrennungsraum 1 1 des Zylinders 1 sind einander paarweise gegenüberliegen- de, symmetrisch zur Durchmesserebene 5 angeordnete Überströmkanäle 12, 13 und 14, 15 vorgesehen. Zusätzlich weist der Zylinder 1 einen dem Auslasskanal 4 diametral gegenüberliegenden Überströmkanal als Aufrichtkanal 16 auf, der zwischen den Einspritzdüsen 6, 7 in den Verbrennungsraum 1 1 mündet, wie dies insbesondere der Fig. 3 entnommen werden kann. Die Anordnung ist dabei so getrof- fen, dass die Düsenachsen 8 im Wesentlichen den beiden auf der bezüglich der Durchmesserebene 5 gegenüberliegenden Zylinderseite mündenden Überströmkanäle 12, 13 bzw. 14, 15 entgegengerichtet ist, dass also die Ausströmrichtungen 17, 18 der Überströmkanäle in Richtung der Düsenachse 8 der jeweils gegenüberliegenden Einspritzdüsen 6, 7 verlaufen, wie dies aus der Fig. 4 hervorgeht. Durch diese Maßnahme wird in Verbindung mit Einspritzdüsen 6, 7 in Form von Mehrlochdüsen eine vorteilhafte Auffächerung der eingespritzten Sprühkegel des Kraftstoffs und damit eine feine Verteilung des Kraftstoffs innerhalb der Gasströmung erreicht, weil aufgrund der den Kraft-Sprühkegeln entgegengerichteten Luftströmung aus den jeweils gegenüberliegenden Überströmkanälen die höchste Rela- tivgeschwindigkeit zwischen dem eingespritzten Kraftstoff und der Luftströmung für die Kraftstoffverteilung genützt werden kann. Die Ausrichtung der Düsenachsen 8 in der Weise, dass deren Schnittpunkt 9 in der unteren Totpunktlage des Kolbens 2 oberhalb des Kolbenbodens 3 zu liegen kommt, verhindert eine Benetzung des Kolbenbodens mit Kraftstoff, der durch die über die Überströmkanäle 12, 13 bzw. 14, 15 in den Verbrennungsraum 1 1 eingeblasene Frischluft gegen den Zylinderkopf weg vom Kolbenboden 3 mitgerissen wird, was eine vorteilhafte Kraftstoffverteilung im Verbrennungsraum 1 1 nach sich zieht, insbesondere, wenn die Ausström richtung 19 des Aufrichtkanals 16 oberhalb des Schnittpunkts 9 der Düsenachsen 8 verläuft (Fig. 3), weil in diesem Fall die Frischluft aus dem Auf- richtkanal 16 auf die Sprühkegeln des Kraftstoffs auftrifft, bevor sich die Hauptströme der Sprühkegel aus den beiden Einspritzdüsen 6, 7 vereinigen, sodass die Ableitung des Kraftstoffs vom Kolbenboden 3 bereits durch die Luftströmung aus dem Aufrichtkanal 16 eingeleitet und unterstützt wird. Der Gefahr, dass Kraftstoff teilweise mit dem Abgas durch den Auslasskanal 4 ausgetragen wird, wird dadurch begegnet, dass der Schnittpunkt 9 der Düsenachsen 8 auf der dem Auslasskanal 4 abgewandten Seite der Zylinderachse liegt und folglich die entstehenden Gastströmungen den über die Einspritzdüsen 6, 7 eingespritzten Kraftstoff vom Auslasskanal 4 weg gegen den Zylinderkopf hin mitreißen.

Damit vorteilhafte Druckverhältnisse für die Kraftstoffeinspritzung genützt werden können, liegen die Durchtrittsöffnungen 20 in der Zylinderwand für die Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum 1 1 unterhalb der Steuerkante 21 des Auslasskanals 4, sodass die Einspritzdüsen 6, 7 nur mit den geringen Drücken am Ende der Expansionsphase belastet und vor Verbrennungsrückständen durch Ablagerungen bewahrt werden, weil die hierfür erforderliche Verkokungstemperatur durch die über den Aufrichtkanal 16 einströmende und die heißen Abgase aus dem Düsenbereich verdrängende Frischluft nicht erreicht wird.

Im Leerlauf und im unteren Teillastbereich wird jeweils nur eine der beiden Einspritzdüsen 6, 7 eingesetzt, um eine ausreichend kleine Kraftstoffmenge in den Brennraum 1 1 einzuspritzen. Damit trotz der einseitigen Ansteuerung der Ein- spritzdüsen 6, 7 eine vorteilhafte Kraftstoffverteilung im Verbrennungsraum 1 1 sichergestellt werden kann, wird der Kraftstoff durch die jeweils angesteuerte Einspritzdüse 6 oder 7 mit einem verminderten Impuls in den Brennraum 1 1 eingespritzt, und zwar in einem Kurbelwinkelbereich, in dem sich der Kolbenboden 3 unterhalb des Schnittpunkts 9 bewegt, sodass der mit vermindertem Impuls in den Brennraum 1 1 eingespritzte Kraftstoff nicht nur nicht den Kolbenboden benetzen, sondern vielmehr mit der über die Überström kanäle eingeblasenen Frischluft unter einer innigen Mischung mit den Frischluftströmen vom Kolbenboden 3 weg gegen den Zylinderkopf mitgerissen wird, was eine weitgehend gleichmäßige Kraftstoffverteilung im Brennraum 1 1 zur Folge hat, weil eben wegen des verminderten Im- pulses der einseitig eingespritzte Kraftstoff auch ohne Einwirkung der gegengerichteten Kraftstoffeintragung durch die zweite Einspritzdüse frühzeitig durch die Frischluftströmung mitgerissen werden kann. Dies bedeutet, dass im Leerlauf und im unteren Teillastbereich kurze Einspritzintervalle sichergestellt werden können, ohne eine Emissionserhöhung aufgrund ei- ner sich verschlechternden Gemischbildung und -Verteilung befürchten zu müssen. Im Gegenteil, es werden die Kraftstoffverluste während der Spülung merklich verringert, was einen für nachgeschaltete Katalysatoren vorteilhaften, höheren Sauerstoffanteil in den Abgasen nach sich zieht.