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Titel: Kraftstoff-Zufiihrungssystem für eine Brenn-
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kraftmaschine Die Erfindung betrifft ein Kraftstoff-Zuführungssystem
für eine mit mindestens einem Zylinder versehene Brennkraftmaschine, insbesondere
einen Zweitaktmotor, unter Verwendung einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung.
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Bei Brennkraftmaschinen, in besonderem Maße bei Zweitaktmaschinen,
läßt sich feststellen, daß der Wirkungsgrad über den Drehzahlbereich der Maschine
Schwankungen unterworfen ist. Bei Zweitaktmaschinen arbeitet das Spülsystem nur
über einen verhältnismäßig engen Drehzahlbereich einwandfrei. Bei Teillast der Maschine
ist eine rasche Abnahme des Wirkungsgrades des Spülsystems feststellbar.
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Diese Tatsache ist leicht nachweisbar durch die ungleichmäßige Zündung
und Motordrehung im Leerlaufzustand, im Vergleich zu den bei hoher Motorlast an
sich vorhandenen Gleichlaufeigenschaften. Andererseits ergibt sich aber auch bei
höheren Drehzahlen eine Verminderung des Wirkungsgrades, wenn z,B. über einen Regler
die Drossel geschlossen wird.
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In beiden Fällen ist aufgrund der unvollständigen Verbrennung ein
erheblicher Anstieg des Kohlenwasserstoffgehalts der Verbrennungsgase festzustellen,
was darauf
zurückgeftihrt werden kann, daß während einzelner Verbrellnungshübe
des Motors in Wirklichkeit keine Zündung des Kraftstoffes erfolgt. Solche Zündungsfehler
sind in einigen Fällen auf die Drosselung der LuSt-KraftstoffzuSüllrung bei einzelnen
Verbrennungshüben zurückzu:Eühren, was wiederum eine unzureichende Spülung des Zylinders
zur Folge hat.
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Zur Verbesserung der Zylinderspülung bei gleichzeitiger Verminderung
des Schadstoffgehalts der Verbrennungsgase und entsprechender Verminderung des Kraftstoffbedarfs
ist es aus den US-i'S'en 36 87 118 und 38 81 454 schon bekannt, Zweitaktmaschinen
mit einer Kraftstoff-Sinspritzvorrichtung auszurüsten. Die Anordnung ist hier aber
so getroffen, daß die Kraftstoffeinspritzung bei jedem Abwärtshub des Kolbens, wenn
sich dieser dem unteren Totpunkt nähert, zwangsläufig eingeleitet wird. Die .inspritzung
wird dabei von einer elektronischen Steuervorrichtung in einer Kolbenstellung unterbrochen,
die abhängig ist von der Motorlast. Die beiden Patentschriften enthalten keine Anregungen
dahingehend, von der herkömmlichen Praxis der regelmäßigen Kraftstoffzufiihrung
zu dem Motorzylinder abzugehen. Die Drosselung wird hier allein durch Änderung des
Kraftstoffvolumens je Kolbenhub erreicht.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Grundüberlegung, daß die
Drehzahl- und Leistungssteuerung einer Brennkraftmaschine bei Verminderung des Schadstoffgehalts
in den Verbrennungsgasen zuverlässig dadurch bewirkt werden kann, daß die Kraftstoffladung
des Zylinders auf einem vorbestimmten Gemisch gehalten wird, während die Frequenz
der Zuführung der Kraftstoffladung in die Verbrennungskammer veränderlich eingestellt,
d.h. gesteuert wird.
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Der Erfindung liegt daher vornehmlich die Aufgabe zugrunde, das Kraftstoff-Zuluhrungssystem
einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Zweitaktmaschine, so auszubilden, daf3
bei Verbesserung der Kraftstoffzufiihrung und der Ableitung der Verbrennungsgase
insgesam-t wesentlich verbesserte Betriebseigenschaften der Maschine, insbesondere
ein erhöhter ;.Iirkungsgrad, erzielt werden.
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imach Vorstehendem betrifft die Erfindung somit ein KraftstofE-ZuSilhrungssystem
für eine mit mindestens einem Zylinder versehene Brennkraftmaschine, insbesondere
einen Zweitaktmotor, unter Verwendung einer Krafts to ff-Einspri tzvorrichtung.
Die Erfindung ist dabei gekennzeichnet dadurch eine die Regelmäßigkeit der Kraftstoffeinspritzungen
der Einspritzvorrichtung in automatischer Abhängigkeit von der Drehzahl oder dem
Drehmoment der Brennkraftmaschine steuernde Steuervorrichtung0 Unter "Regelmäßigkeit
der Kraftstoffeinspritzungen" ist hierbei zu verstehen, daß die Einspritzung wahlweise
nach Maßgabe des jeweiligen Leistungsbedarfs der Maschine erfolgt, ohne hierbei
zugleich die Luftzuführung zu vermindern, wobei nicht notwendigerweise die Kraftstoff
einspritzung bei jeder einzelnen Umdrehung der Brennkraftmaschine zu erfolgen braucht.
Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme läßt sich erreichen, daß die Brennkraftmaschine
über ihren gesamten Drehzahl- und Leistungsbereich mit höherem Wirkungsgrad arbeitet,
Vorzugsweise wird der Einspritzzyklus elektronisch gesteuert, so daß die Abtriebsleistung
der Maschine zum Ausgleich einer sich erhöhenden, einen Abfall der Maschinendrehzahl
bewirkenden Last rasch angehoben wird.
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Dieser Anstieg der Motorleistung wird erfindungsgemäß durch Erhöhung
der Frequenz erreicht, mit der der Kraftstoff
eingespritzt wird.
Die Erhöhung der Motorleistung läßt sich erfindungsgemäß also dadurch erreichen,
daß von der Kraftstoffeirlspritzung bei z.B. jedem sechsten Kolbenhub auf eine Kraftstoffeinspritzung
bei z.B. jedem vierten oder zweiten Hub umgeschaltet wird. Hierbei wird kein Drosselventil,
Regler od. dgl. benötigt. Da die Anderung der Motorausgangsleistung sich nahezu
verzögerungsfrei durchführen läßt, ergeben sich hervorragende Regel-und Steuereigenschaften.
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Aufgrund der vorgenannten Eigenschaften ist ein mit dem erfindungsgemäßen
Kraftstoff-Zuführungssystem versehener Motor mit besonderem Vorteil für Rasenmäher
u.dgl. geeignet, da hier in besonderem Maße-leise laufende Motoren gefordert werden.
Die Verminderung der Laufgeräusche läßt sich in einfacherer Weise erreichen, wenn
die maximale Motordrehzahl vermindert werden kann. Die Drehzahlverminderung des
Motors ist aber nur möglich, wenn sich auf der anderen Seite die Motorausgangsleistung
rasch steigern läßt, falls die Schnittkräfte z.B. bei dichterem oder dickerem Gras
plötzlich ansteigen.
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Weitere wesentliche Merkmale der Erfindung sind in den einzelnen Patentansprüchen
aufgeführt und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des in der Zeichnung
dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Die Zeichnung zeigt schematisch ein Kraftstoff-Zuführungssystem für
einen Zweitaktmotor eines Rasenmähers, obwohl die Erfindung auch bei mehrzylindrigen
Brennkraftmaschinen unabhängig von ihrer Arbeitsweise verwendbar ist.
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Dabei besteht ein Merkmal der Erfindung darin, daß eine angemessene
Menge an Spülluft ständig dem Zylinder des
I4otors zur Verfügung
steht und daß außerdem die Ziindung bei jedem Verbrennungshub des Motors erfolgt.
Dabei besteht an sich die Möglichkeit, die Kraftstoffzuführung zu dem Motorzylinder
mittels der Einspritzvorrichtung über das Kurbelgehäuse vorzunehmen und dabei die
herkömmlichen I'Surbelgehäuse-Kompressionsmittel anzuwenden.
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Vorzugsweise wird aber der Kraftstoff durch die Einspritzvorrichtung
direkt in den Zylinder eingespritzt.
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Die Zeichnung zeigt einen herkömmlichen Zweitaktmotor 1, welcher auf
der Grundplatte 2 eines drehend arbeitenden Rasenmähers mit vertikal stehender Motorwelle
3 gelagert ist. Der Motor 1 besteht aus einem den Zylinder aufweisenden Motorblock
4, welcher mit horizontal liegender Zylinderachse auf einem Kurbelgehäuse 5 gelagert
ist.
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Die Motorwelle 3 durchgreift das Kurbelgehäuse 5 und ist oben aus
dem Kurbelgehäuse herausgeführt, wobei sie in ein Schrungrad-Magnetgehäuse 6 einfaßt.
Am oberen Ende der Welle 3 ist ein Anlasser-Rad 7 mittels einer Mutter 8 befestigt.
Eine in den Maschinenblock 4 eingeschraubte Ziindkerze 9 erhält ihre elektrische
Energie von der Magnetvorrichtung des Gehäuses 6 über ein Kabel 10. An der einen
Seite des Motorblocks 4 ist eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 11 befestigt, deren
Einspritzkopf mit dem Zylinder des Zylinderblocks in Verbindung steht.
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Die Einspritzvorrichtung 11 weist ein Schalt- bzw. Steuerventil 12
auf, welches z.B. aus einem elektromechanischen, einem piezoelektrischen oder einem
anderen über die elektrische Steuervorrichtung betätigbaren Ventil besteht.
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Der Kraftstoffdruck in der Einspritzvorrichtung 11 kann z.B. dadurch
erzeugt werden, daß Luft-Druckimpulse aus dem Kurbelgehäuse 5 über eine Druckluftleitung
13 abgeleitet und, vorzugsweise über einen Druckverstärker 14, der b'inspritzvdrrichtung
11 zugeführt werden, wobei der Druckverstärker z.B. aus einem Membran-Gerät bekannter
Art
bestehen kann. )ie Druckluft wirkt von oben auf den Kraftstoff, wobei ein Überdrckventil
(nicht dargestellt) einen gleichmäßigen T)ruck aufrecl:terhält.
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Für die Erfindung ist es wesentlich, daß die Einspritzung des Kraftstoffes
durch die Einspritzvorrichtung 11 selektiv, d.h. nur bei jeweils bestimrnten Umdrehungen
des Motors 1 erfolgt, während die SptilluSt bei sämtlichen Motorumdrehungen dem
Zylinder zugeführt wird. Der im Inneren des Motorblocks 4 angeordnete Zylinder ist
zu diesem Zweck mit (nicht dargestellten) Kanälen in herkömmlicher Weise versehen,
welche mit dem Innenraum des Kurbelgehäuses 5 in Verbindung stehen, so daß Spülluft
zunachst in dem Kurbelgehäuse komprimiert wird, bevor sie zum Austreiben der verbrannten
Gase aus der Auslaßöffnung an der Zylinderwandung in den Zylinder eingeführt wird.
Die selektive Betätigung der Einspritzvorrichtung 11 wird mit Hilfe einer elektronischen
Steuervorrich-tung 15 automatisch gesteuert.
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Das Steuerventil 12 der Einspritzvorrichtung 11 -läßt sich mit Hilfe
eines elektrischen Impulses betätigen, der von dem Magnetteil im Gehäuse 6 abgeleitet
wird. Falls gewünscht, kann eine zusätzliche Spule an dem Magnetteil des Gehäuses
6 vorgesehen werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine unabhängige Stromquelle
zu verwenden. Der Betätigungsimpuls liegt an einer Leitung 16 an, die mit der elektronischen
Steuervorrichtung 15 und einem elektronischen Schaltglied, vorzugsweise einem Thyristor
SCR1, verbunden ist. Wenn das Schaltglied SCRI über sein Gatter oder seine Ziindelektrode
17 geschaltet wird, so wird das Ventil 12 durch den Primärimpuls des Magnetteils
im Gehäuse 6 geöffnet, so daß Kraftstoff in den Zylinderraum des Motors 1 eingespritzt
wird,
Der sich bei jeder Einzelumdrehung des Motors 1 in der Leitung
16 einstellende Primärimpuls wird über eine Leitung 18 der einen Eingangsseite eines
Frequenz-Kompara--tors 19 zugeführt, der an seinem anderen Eingang die Impulsreihe
eines Bezungsfrequenzgenerators 20 empfängt.
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Die L'reouenz des Generators 20 ist von fland einstellbar, um die
maximale Motordrehzahl wahlweise einstellen zu können. Die Anordnung ist derart
getroffen, daß der I-lotor 1 mit der gewünschten Drehzahl läuft, :nn die Impulsfrequenz
des Generators 20 und die Frequenz der Primärimpulse der Leitung lC einander gleich
sind. enn im Betrieb die Motordrehzahl ansteigt, abfällt oder der gewählten Drehzahl
entspricht, wird. eine Spannung mit dem einen oder anderen Vorzeichen oder aber
keine Spannung von dem Komparator 19 an einen Integrator 21 angelegt.
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Der Integrator 21 ist so Vorprogrammiert, daß er die Aufeinanderfolge
der Schaltbetätigungen des Ventils 12 nach Maßgabe der Motorumdrehungen und in abhängigkeit
von steigender, fallender oder gleichbleibender Drehzahl entsprechenc der am Regler
20 von Hand eingestellten gewählten Drehzahl bestimmt. Der Ausgang des Integrators
21 wird entweder unmittelbar dem Gatter bzw. der Zündelektrode 17 des Schaltgliedes
SCR1 zugeführt oder dient zur Aufladung eines Ladekondensators CI, welcher das elektronische
Schaltglied SCR1 auf Stromdurchgang schaltet, wenn die Ladung des Kondensators die
Schwellspannung an der Zündelektrode des Schaltgliedes (Thyristors) erreicht. Nach
Zündung des Schaltgliedes SCR1 entlädt sich der Kondensator C1 automatisch. Anstelle
der vorstehend beschriebenen Komponenten 19 bis 21 können aber auch andere auf die
Drehzahl oder das Drehmoment ansprechende Mittel herkömmlicher Art verwendet werden.
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Wenn das vorstehend beschriebene Kraftstoff-Zuführungssystem den Kraftstoff
direkt in den Zylinder einspritzt,
ist ein unabhängiges Schmiersystem
üisbesondere für die Hauptlager, die Zylinderbohrung und die Kolbenlager erförderlich
Hierfifr sind Systeme verschiedener Art bekannt. Es versteht sich, daß unabhängig
von der Einstellung der A1ifeinanderfolge der Kraftstoff einspritzungen normalerweise
jeweils das volle Spülluftvolumen dem Z3T-linder zugeführt wird. Vorzugsweise erfolgt
die Einspritzung des Kraftstoffes in den Zylinder, nachdem die Auslaßöffnung des
Zylinders sich geschlossen hat, so daß Kraftstoffverluste und der Anteil der in
den Abgasen enthaltenen Verbrennungsrückstände gering gehalten werden Die Einspritzvorrichtung
11 läßt sich ohne weiteres so ausbilden, daß unnötige Kraftstoffverluste vermieden
werden. Der Kopf der Einspritzvorrichtung 11 mag ebenfalls in dem Durchgangskanal
angeordnet sein, um eine verbesserte Versprühung und Verteilung des Kraftstoff es
bei Verminderung von- Verkohlungsrückständen an dem Kopf zu erreichen.
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Um Laufgeräusche und Schwingungen des Motors 1 zu unterdrücken, wenn
mit einer von der Drehfrequenz des Motors stark abweichenden Einspritzfrequenz gearbeitet
wird, kann auch eine Verminderung der Luftzuführung zu dem Zylinder auf ein vorbestimmtes
Verhältnis vorgesehen werden. Der verminderte Luftstrom wurde hierbei einen Anteil
des vollen Drossel-Luftstromes ausmachen, der verwendet wird, um eine möglichst
wirksame Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemischs zu erreichen Für die Veränderung
des Luftstromes genügt ein einfaches Magnetventil, welches in der Ansaugleitung
vorgesehen wird.
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Statt dessen kann aber auch die eingespritzte Kraftstoffmenge vermindert
werden, um ein mageres Gemisch zu erhalten. Dies wirde zu einem entsprechend schwächeren
Verbrennungshub bei entsprechender Verminderung des Laufgeräusches und der Vibration
des Motors führen. Die Verminderung
des Kraftstoffes läßt sich
z.B. dadurch erreichen, daß die Dauer der dem Ventil 12 der Einspritzvorrichtung
11 zugeführten Primärimpulse herabgesetzt wird.
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Werden besondere Anforderungen gestellt, z.B. ein größerer Drehzahlbereich,
so kann es zweckmäßig sein, die eingespritzte Kraftstoffmenge in Anpassung an die
jeweilige Drehzahl zu verändern. Dies läßt sich in verhältnismäßig einfacher Weise
durch entsprechende Programmierung der elektronischen Steuerung 15 erreichen, so
daß diese in Anpassung an die jeweilige Drehzahl und/oder die jeweilige Luftdurchgangsmenge
Signale von unterschiedlicher Signaldauer liefert.