DE19929222C1

DE19929222C1 - Gaswechselsystem und Gaswechselverfahren für einen Zweitaktmotor

Info

Publication number: DE19929222C1
Application number: DE19929222A
Authority: DE
Inventors: Oliver Bartels
Original assignee: BARTELS MANGOLD ELECTRONIC GMB
Current assignee: IQ-MOBIL ELECTRONICS GMBH, 82467 GARMISCH-PARTENKI
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2000-08-10
Anticipated expiration: 2019-06-26

Abstract

Ein Gaswechselsystem und ein Gaswechselverfahren für einen Zweitaktmotor werden angegeben. Es sind mindestens ein Einlaßkanal und mindestens ein Auslaßkanal mit einem Katalysator vorgesehen, wobei mindestens eine Verbindung zwischen dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal vorliegt, die Verbindung an dem Auslaßkanal zwischen dem Motor und dem Katalysator ansetzt, die Verbindung mindestens ein Ventil aufweist und eine Ventilsteuerung vorgesehen ist, welche Eingangsdaten empfängt und welche in Abhängigkeit von den Eingangsdaten das Ventil und damit die Verbindung periodisch veranlaßt, zumindest teilweise zu öffnen bzw. zu schließen. Bei dem Verfahren wird durch einen Auslaßkanal verbrauchtes Arbeitsgas ausgestoßen, so daß sich eine positive Druckwelle von dem Motor durch den Auslaßkanal entfernt, und die positive Druckwelle zumindest teilweise reflektiert, so daß sich eine im allgemeinen zeitlich veränderliche Abfolge von Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen einstellt, wobei ein Ventil in einer Phase geöffnet wird, in welcher Gas vom Einlaßkanal in den Auslaßkanal überströmen kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gaswechselsystem für einen Zwei taktmotor, mit mindestens einem Einlaßkanal und mindestens einem Auslaßkanal mit einem Katalysator. Die Erfindung be trifft ferner ein Gaswechselverfahren für einen Zweitaktmo tor, bei dem durch einen Auslaßkanal verbrauchtes Arbeits gas ausgestoßen wird, so daß sich eine positive Druckwelle von dem Motor durch den Auslaßkanal entfernt, und die posi tive Druckwelle zumindest teilweise reflektiert wird, so daß sich eine im allgemeinen zeitlich veränderliche Abfolge von Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen einstellt.

Bei einem gattungsgemäßen Auspuffprozeß eines Zweitaktmo tors wird verbrauchtes Arbeitsgas durch einen Auslaßkanal ausgestoßen. Dabei entsteht eine positive Druckwelle, wel che sich vom Motor durch den Auspuff entfernt. Erreicht diese Druckwelle das offene Auspuffende, so wird sie teil weise mit umgekehrtem Vorzeichen, das heißt als Unterdruck welle oder negative Druckwelle reflektiert. Kommt diese Un terdruckwelle während der Spülperiode, das heißt während des Entfernens von Altgas aus dem Motor, am Auslaßschlitz des Motors an, so unterstützt sie in vorteilhafter Weise die Spülung.

Dieses grundlegende Prinzip ist in vielfältiger Weise wei terentwickelt worden. Besonders zu erwähnen ist die Ver wendung eines Diffusors, das heißt einer konischen Aufwei tung des Auspuffrohres. Durch diese Aufweitung erreicht man, daß die reflektierte Unterdruckwelle nicht mehr "schlagartig" am Auslaßschlißtz des Motors eintrifft, son dern vielmehr über einen längeren Zeitraum verteilt ist. Die Dauer der Unterdruckwelle am Auslaßschlitz wird somit gedehnt; bei richtiger Abstimmung kann die Unterdruckwelle somit während der gesamten Überströmzeit von Gas aus dem Kurbelgehäuse in den Verbrennungsraum unterstützend vor liegen.

Dabei kann sich jedoch die Schwierigkeit einstellen, daß auch frisches Gas, welches für den nächsten Verbrennungs prozeß zur Verfügung stehen soll, durch die lang andauernde Unterdruckwelle aus dem Verbrennungsraum ausgetrieben wird. Es ist also nützlich, die Dauer der Unterdruckwelle durch weitere Maßnahmen zu begrenzen, wobei diesbezüglich vom Stand der Technik beispielsweise ein Diffusor mit Blende beziehungsweise ein Diffusor mit Gegenkonus vorgeschlagen wird. Durch die Verengung des Rohres nach dem Diffusor er folgt eine positive Reflektion der primär aus dem Auslaß schlitz ausgestoßenen Druckwelle, so daß diese schließlich die Unterdruckwelle überlagert. Dies führt netto zu einer positiven Druckwelle in Richtung auf den Auslaßschlitz, so daß ab einem gewissen Zeitpunkt Frischgas im Verbrennungs raum gehalten wird beziehungsweise bereits aus dem Verbren nungsraum ausgetretenes Frischgas wieder in diesen zurück getrieben wird.

Insgesamt stellt sich in dem Auslaßkanal eine komplizierte Überlagerung von Schwingungsvorgängen ein, die von stehen den Wellen, fortschreitenden Wellen und den damit im Zusam menhang stehenden Resonanzen geprägt ist.

Insbesondere bei Zweitaktmotoren die mit einem Katalysator ausgestattet sind, besteht das grundsätzliche Problem, daß im Abgas/Luft-Gemisch, welches in den Katalysator eintritt, in der Regel ein zu geringer Sauerstoffanteil vorliegt. Dies hat seine Ursache darin, daß ein Zweitaktmotor zum Zwecke einer ausreichenden Schmierung mit einem fetten Ge misch, insbesondere einem Zweitaktgemisch, betrieben werden muß, was zwangsläufig zu den besagten ungünstigen Mi schungsverhältnissen beim Eintritt des Abgages in den Kata lysator führt. Es ist daher erwünscht, das Abgas/Luft-Ge misch im Auslaßkanal zu beeinflussen. Dies ist jedoch auf grund der oben dargestellten komplizierten Druckverhältnis se in dem Auslaßkanal nicht ohne weiteres möglich, da ins besondere die für die Motorleistung wichtigen Auspuffvor gänge durch einen Eingriff in das System unter Umständen ungünstig beeinflußt werden können.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Gaswechselvorgänge des Motors im Hinblick auf eine gute Katalysatorfunktion zu verbessern.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10 gelöst.

Das erfindungsgemäße Gaswechselsystem baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, daß mindestens eine Verbindung zwischen dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal vorliegt, daß die Verbindung an dem Auslaßkanal zwischen dem Motor und dem Katalysator ansetzt, daß die Verbindung mindestens ein Ventil aufweist und daß eine Ventilsteuerung vorgesehen ist, welche Eingangsdaten empfängt und welche in Abhängig keit von den Eingangsdaten das Ventil und damit die Verbin dung periodisch veranlaßt, zumindest teilweise zu öffnen bzw. zu schließen. Auf diese Weise nutzt man aus, daß im Einlaßkanal des Zweitaktmotors Luft zur Verfügung steht und diese durch das Öffnen eines Verbindungsventils in den Aus laßkanal überführt werden kann. Erfindungsgemäß werden die komplizierten Druckverhältnisse im Auslaßkanal ausgenutzt, um Frischluft in den Auslaßkanal zu überführen. Dies läßt sich modellhaft so erklären, daß das Ventil etwa zu einem Zeitpunkt geöffnet wird, zu dem sich ein Schwingungsknoten, d. h. ein geringer Druck, im Auslaßkanal im Bereich der Ver bindung zwischen dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal befin det. Nach dem Öffnen des Ventils strömt Frischluft vom Ein laßkanal in den Auslaßkanal über. Nachfolgend ändern sich die Druckverhältnisse im Auslaßkanal; insbesondere zum Bei spiel in der Art, daß sich die vorliegenden Schwingungs knoten und Schwingungsbäuche der stehenden Welle durch Überlagerung mit einer fortschreitenden Welle in Richtung des Katalysators verschieben; folglich wird das gesamte Gemisch mit der soeben zugeströmten Frischluft in Richtung des Katalysators transportiert. Auf diese Weise wird das Abgas/Luft-Gemisch, welches in den Katalysator einströmt, zugunsten des Luftanteils positiv beeinflußt. Mit anderen Worten: das Abgas/Luft-Verhältnis am Katalysator wird vom Mischungsverhältnis im Motor entkoppelt. Durch eine geeig nete Ventilsteuerung wird erreicht, daß das Ventil stets zum richtigen Zeitpunkt öffnet bzw. schließt.

Es ist bevorzugt, wenn der Einlaßkanal einen Luftfilter und einen Vergaser aufweist, wobei die Verbindung an dem Ein laßkanal zwischen dem Vergaser und dem Luftfilter ansetzt. Somit steht Luft zur Verfügung, welche bereits den Luftfil ter im Einlaßkanal durchströmt hat, wodurch besonders sau bere Luft zur Verfügung gestellt wird.

Vorzugsweise ist im Auslaßkanal zwischen Motor und Kataly sator eine Lambdasonde vorgesehen, wobei das Meßsignal der Lambdasonde ein Eingangssignal der Ventilsteuerung ist. Eine Lambdasonde mißt den Sauerstoffgehalt, der dann wie derum einen entscheidenden Einfluß auf die Abgastemperatur hat. Da bei dem erfindungsgemäßen Gaswechselsystem der Sauerstoffgehalt im Abgas mitunter derart ansteigen kann, daß es zu überhöhten Temperaturen des Abgases kommt - dies würde zur Beschädigung des Katalysators führen - ist es nützlich, die Ventilsteuerung in Abhängigkeit des Meßergeb nisses der Lambdasonde zu betreiben.

Vorteilhafterweise ist an dem Motor ein Kurbelwellensensor vorgesehen, wobei das Meßsignal des Kurbelwellensensors ein Eingangssignal der Ventilsteuerung ist. Auf diese Weise erreicht man eine Synchronisierung der Schaltvorgänge des Ventils mit der Motorumdrehung. Die Synchronisierung der Schaltvorgänge des Ventils kann in nicht linearer Weise mit der Motordrehzahl gekoppelt sein. Dies ist unter Umständen sinnvoll, da sich auch die komplizierten Druckverhältnisse, d. h. insbesondere die zeitliche Lage von Knoten und Bäu chen, in nicht linearer Weise mit der Motordrehzahl ändern können.

Ebenfalls kann nützlich sein, daß ein Zündspulensensor vor gesehen ist und daß das Meßsignal des Zündspulensensors und/oder die Kenndaten des Zündvorganges Eingangssignale der Ventilsteuerung sind. Auch damit läßt sich eine Syn chronisation zwischen Motordrehzahl und Ventilbetrieb er reichen; ferner können die Besonderheiten des Zündvorgang es, welche sich im Kennfeld niederschlagen, berücksichtigt werden.

Besonders bevorzugt ist es, wenn im Auslaßkanal ein Diffu sor vorgesehen ist. Ein Diffusor führt zu der in der Ein leitung beschriebenen, vorteilhaften zeitlichen Verlänge rung der reflektierten Unterdruckwelle und - bei entspre chender Modifikation, etwa in Form eines Doppelkonus oder durch eine Blende - zur Reflektion einer positiven Druck welle, welche für das Eintreiben von Frischgas in den Ver brennungsraum bzw. die Beendigung des Austreibens von Gas aus dem Verbrennungsraum (Spülvorgang) nützlich ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Frequenz des perio dischen Öffnens bzw. Schließens des Ventils ein ganzzah liger Bruchteil der Motordrehzahl ist. Im Falle niedriger Drehzahl ist es möglich, das Ventil bei jeder Motorumdre hung zu öffnen bzw. zu schließen. Bei höheren Drehzahlen kann es jedoch mitunter schwierig werden, eine zuverlässige Synchronisierung bei hohen Schaltfrequenzen zu erreichen, so daß eine "überspringende" Synchronisierung Vorteile mit sich bringen kann.

Bevorzugt handelt es sich bei dem Ventil um ein in Richtung des Auslaßkanals durchlässiges Einwegeventil. Damit ist zusätzlich sichergestellt, daß kein Überströmen von Luft oder Abgas vom Auslaßkanal in den Einlaßkanal stattfindet.

Als Ventil kann nützlicherweise ein Drehventil verwendet werden. Dieses wird durch das Drehen eines Ventilkörpers geöffnet bzw. geschlossen, so daß die Frequenz des perio dischen Öffnens bzw. Schließens durch die Drehgeschwindig keit des Drehkörpers bestimmt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem Stand der Tech nik dadurch auf, daß ein Ventil in einer Phase geöffnet wird, in welcher Gas vom Einlaßkanal in den Auslaßkanal überströmen kann. Die Frischluft kann daher ohne Pumpen oder sonstige aufwendige Maßnahmen in den Auslaßkanal ge langen. Nachfolgend wird sie durch die zeitliche Variation der Druckverhältnisse in Richtung Katalysator getrieben. Ein Pumpen scheidet auch schon deswegen als eher ungeeig nete Maßnahme aus, da Zweitaktmotoren mit hohen Drehzahlen (10.000 bis 11.000 Umdrehungen/Minute) arbeiten. Die natür liche Trägheit einer Pumpe ist nicht in der Lage, diesen hohen Drehzahlen zu folgen.

Besonders bevorzugt wird das Ventil mit jeder Motorumdreh ung geöffnet und geschlossen. Dies führt zu einer stets optimalen Frischgaszufuhr.

Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, daß das Ventil mit einer Frequenz geöffnet und geschlossen wird, die ein ganz zahliger Bruchteil der Motordrehzahl ist. Diese Variante kann dann nützlich sein, wenn der Motor mit hohen Drehzah len arbeitet, so daß eine zuverlässige Synchronisation zu jeder einzelnen Motorumdrehung nicht mehr möglich ist.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das Ventil in Abhängigkeit von Eingangssignalen, wie dem Meßsignal einer Lambdasonde, dem Signal eines Kurbelwellensensors und/oder dem Signal eines Zündspulensensors und/oder Kenndaten des Zündvorgan ges oder dergleichen, geöffnet bzw. geschlossen wird. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Synchronisation erfol gen, wobei die Besonderheiten des jeweiligen Motors auf grund der Verarbeitung vieler verschiedener Eingangsdaten berücksichtigt werden können. Ebenso können nicht lineare Effekte in der Steuerung berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch ein geeignet angeordnetes Ventil und eine ent sprechend ausgelegte Steuereinheit das Abgas/Luft-Verhält nis vom Gemischverhältnis, welches im Motor verarbeitet wird, weitgehend entkoppelt ist. Somit kann der Katalysator in seinem optimalen Arbeitsbereich, d. h. bei einer optima len Sauerstoffkonzentration, betrieben werden, wodurch die heutigen strengen Umweltschutzbedingungen auch von Zwei taktmotoren erfüllt werden können.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungs beispiels mit bezug auf die begleitende Zeichnung beispiel haft erläutert.

Die einzige Figur zeigt die schematische Darstellung eines Teils eines Motors mit einem erfindungsgemäßen Gaswechsel system.

In der Figur ist ein Teil eines Motors 2 dargestellt. Der Motor 2 weist einen Kolben 4 und eine Kurbelwelle 6 auf. Kolben 4 und Kurbelwelle 6 sind durch einen Pleuel 8 ver bunden. Oberhalb des Kolbens 4 ist der Verbrennungsraum 10 dargestellt. Unter dem Kolben 4 im Bereich der Kurbelwelle 6 erkennt man das Kurbelwellengehäuse 12. Oberhalb des Ver brennungsraums 10 ist eine Zündkerze 30 angeordnet.

Mit dem Motor 2 sind ein Einlaßkanal 14 und ein Auslaßkanal 16 verbunden. In dem Auslaßkanal 16 ist ein Katalysator 18 angeordnet. Ebenfalls ist vor dem Katalysator 18 eine Lamb dasonde 20 vorgesehen. In dem Einlaßkanal 14 sind ein Ver gaser 22 sowie ein Luftfilter 24 angeordnet. Einlaßkanal 14 und Auslaßkanal 16 sind durch eine Verbindung 26 miteinan der verbunden. Die Verbindung 26 ist mit einem Einwegeven til 28 versehen.

Durch die Pfeile sind in der schematischen Darstellung bei spielhaft verschiedene Strömungswege von Altgas und Frisch gas angedeutet. Insbesondere ist durch die Pfeile 32 darge stellt, daß Gas durch den Auslaßkanal 16, unter anderem durch den Katalysator 18, austritt. Durch die Pfeile 34 ist dargestellt, daß Frischgas durch den Einlaßkanal 14, unter anderem durch den Luftfilter 24 und den Vergaser 22 in den Einlaßschlitz 36 in den Motor 2 eintritt. Im Bereich des Auslaßschlitzes 38 ist durch den Pfeil 40 die Momentauf nahme einer Druckwelle symbolisiert, welche aufgrund der geeigneten Reflektion im Auslaßkanal 16 entsteht.

Im Allgemeinen liegen im Auslaßkanal 16 komplizierte Druck verhältnisse vor, so daß sich, modellhaft beschrieben, stehende Wellen und fortlaufende Welle überlagern. Wird zum geeigneten Zeitpunkt einer solchen zeitlich veränderlichen Drucksituation das Ventil 26 geöffnet, so strömt Frischluft vom Einlaßkanal 14 in den Auslaßkanal 16 über, so daß sich das Abgas/Luft-Gemisch, welches in den Katalysator 18 ein tritt, zugunsten des Luftanteils verändert.

Die Ausbildung der Druckverhältnisse wird auch von der Geo metrie des Auslaßkanals beeinflußt. Den Abstand der Ver bindung 26 zum Motor 2 wird man jedoch im allgemeinen mög lichst groß wählen, damit möglichst wenig Frischluft wäh rend eines "Nettoflusses" in Motorrichtung in den Motor 2 gelangt.

Das Öffnen des Ventils 26 wird durch eine Ventilsteuerung 42 (Electronic Control Unit (ECU)) gesteuert, welche in Abhängigkeit von verschiedenen Eingangssignalen arbeitet. Beispielhaft sind die Eingangssignale eines Kurbelwellen sensors 44 und der Lambdasonde 20 dargestellt. Weitere Ein gangssignale können von der (nicht dargestellten) Zündspule abgenommen werden, wobei zusätzlich das Kenndatenfeld der Zündspule berücksichtigt werden kann. Auf diese Weise er hält man eine Synchronisierung der Ventilöffnung mit den Phasen, zu denen geeignete Druckverhältnisse im betreffen den Bereich des Auslaßkanals 16 vorliegen.

Die Ventilsteuerung 42 (ECU) kann weiterhin die Aufgabe übernehmen, bei höheren Drehzahlen das Ventil 28 nur "über springend" zu öffnen bzw. zu schließen, d. h. es wird nicht jede Motorumdrehung für die erfindungsgemäße Verbesserung des Gaswechsels ausgenutzt. Bei schnell arbeitenden Venti len 26, insbesondere bei einem Drehventil, ist jedoch eine erfindungsgemäße Gaswechslung bei jedem Umlauf bis zu hohen Drehzahlen erreichbar.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

1. Gaswechselsystem für einen Zweitaktmotor (2), mit

- mindestens einem Einlaßkanal (14) und
- mindestens einem Auslaßkanal (16) mit einem Kataly sator (18),

dadurch gekennzeichnet,

- daß mindestens eine Verbindung (26) zwischen dem Einlaßkanal (14) und dem Auslaßkanal (16) vorliegt,
- daß die Verbindung an dem Auslaßkanal (16) zwischen dem Motor (2) und dem Katalysator (18) ansetzt,
- daß die Verbindung (26) mindestens ein Ventil (28) aufweist und
- daß eine Ventilsteuerung (42) vorgesehen ist, welche Eingangsdaten empfängt und welche in Abhängigkeit von den Eingangsdaten das Ventil (28) und damit die Verbindung (26) periodisch veranlaßt, zumindest teilweise zu öffnen bzw. zu schließen.

2. Gaswechselsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Einlaßkanal (14) einen Luftfilter (24) und einen Vergaser (22) aufweist und
- daß die Verbindung (26) an dem Einlaßkanal (14) zwischen dem Vergaser (22) und dem Luftfilter (24) ansetzt.

3. Gaswechselsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß im Auslaßkanal (16) zwischen Motor (2) und Kata lysator (18) eine Lambdasonde (20) vorgesehen ist und
- daß das Meßsignal der Lambdasonde (20) ein Eingangs signal der Ventilsteuerung (42) ist.

4. Gaswechselsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß an dem Motor (2) ein Kurbelwellensensor (44) vorgesehen ist und
- daß das Meßsignal des Kurbelwellensensors (44) ein Eingangssignal der Ventilsteuerung (42) ist.

5. Gaswechselsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein Zündspulensensor vorgesehen ist und
- daß das Meßsignal des Zündspulensensors und/oder die Kenndaten des Zündvorganges Eingangssignale der Ventilsteuerung (42) sind.

6. Gaswechselsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Auslaßkanal (16) ein Diffusor vorgesehen ist.

7. Gaswechselsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des periodischen Öffnens bzw. Schlie ßens ein ganzzahliger Bruchteil der Motordrehzahl ist.

8. Gaswechselsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (28) ein in Richtung des Auslaßkanals (16) durchlässiges Einwegeventil ist.

9. Gaswechselsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (28) ein Drehventil ist.

10. Gaswechselverfahren für einen Zweitaktmotor, bei dem

- durch einen Auslaßkanal (16) verbrauchtes Arbeits gas ausgestoßen wird, so daß sich eine positive Druckwelle von dem Motor (2) durch den Auslaßkanal (16) entfernt, und
- die positive Druckwelle zumindest teilweise reflek tiert wird, so daß sich eine im allgemeinen zeit lich veränderliche Abfolge von Schwingungsknoten und Schwingungsbäuchen einstellt,dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (28) in einer Phase geöffnet wird, in welcher Gas vom Einlaßkanal (14) in den Auslaßkanal (16) überströmen kann.

11. Gaswechselverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (28) mit jeder Motorumdrehung geöffnet und geschlossen wird.

12. Gaswechselverfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (28) mit einer Frequenz geöffnet und geschlossen wird, die ein ganzzahliger Bruchteil der Motordrehzahl ist.

13. Gaswechselverfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (28) in Abhängigkeit von Eingangssig nalen, wie dem Meßsignal einer Lambdasonde (20), dem Signal eines Kurbelwellensensors (44) und/oder dem Signal eines Zündspulensensors und/oder Kenndaten des Zündvorganges oder dergleichen, geöffnet bzw. ge schlossen wird.