DE3022993A1

DE3022993A1 - Verfahren zum betreiben einer fremdgezuendeten kolbenbrennkraftmaschine und kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3022993A1
Application number: DE19803022993
Authority: DE
Inventors: Michael G. Dipl.-Ing. ETH 1180 Rolle May
Original assignee: MAY MICHAEL G DIPL ING ETH
Current assignee: MAY MICHAEL G DIPL ING ETH
Priority date: 1980-06-20
Filing date: 1980-06-20
Publication date: 1982-01-07

Description

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Michael G. May Dipl.-Ing.
CH-1180 Rolle

Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschine und Kolbenbrennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Kolbenbrennkraftmaschine zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die derzeitigen Bestrebungen in der Entwicklung von fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschinen tendieren in Richtung auf höhere Verdichtungsverhältnisse (Verdichtungsverhältnis = Verhältnis der Innenvolumen des Arbeitsraumes an den beiden Totpunkten des Hub-, Dreh- oder sonstigen Kolbens) . Es zeigte sich dabei, daß das möglichst genaue Einhalten des jeweils gewünschten Zündzeitpunktes von

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umso größerer Bedeutung ist, je höher das Verdichtungsverhältnis ist, weil sonst die durch die Verdichtungserhöhung an sich erreichbaren Verbesserungen zumindest teilweise wieder verloren gehen können. Ferner ist es bekannt, daß bei zuviel Frühzündung klopfende Verbrennung, d. h. Klopfen eintreten kann, wogegen sich bei zuviel Spätzündung, welche an sich die Klopfgefahr verringert, der Verbrennungswirkungsgrad verschlechtert wird. Daher wurden sogenannte "Klopfsensoren" entwickelt, die das Auftreten von Klopfen fühlen und bei jedesmaligem Auftreten von Klopfen ein Steuersignal abgeben, das dazu benutzt wird, den Zündzeitpunkt um einen vorbestimmten Betrag für eine vorbestimmte Zeitdauer auf "später" zu verschieben.

Diese Verstellung des Zündzeitpunktes auf "später" hat jedoch Nachteile:

Erstens ist der zur vorübergehenden Verstellung des Zündzeitpunktes erforderliche Eingriff in die Zündanlage teuer", so daß diese Maßnahme bei Personenkraftwagen der unteren und mittleren Preisklassen kaum wirtschaftlich vertretbar ist, insbesondere dann nicht, wenn die durch diese Maßnahme mögliche, etwas höhere Verdichtung den Kraftstoffverbrauch nur geringfügig senkt.

Zweitens ist in den meisten Fällen mit dieser Verschiebung des Zündzeitpunktes auf "später" sogar ein Ansteigen des

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spezifischen Kraftstoffverbrauches verbunden. Dadurch ist, insbesondere bei kleineren Motoren, der angestrebte Spareffekt oft nicht erreichbar.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, diese vorgenannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren za schaffen, das ebenfalls die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses erlaubt, jedoch in Verbindung damit sicher deutliche Kraftstoffeinsparungen erbringt/

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Dieses Verfahren ermöglicht die durch es möglichen höheren Verdichtungsverhältnisse wirksam zur Senkung des Kraftstoffverbrauches auszunutzen, so daß der spezifische Kraftstoffverbrauch erheblich reduziert werden kann. Bei Versuchsmotoren ließen sich die Verdichtungsverhältnisse um ca.5 bis 20% erhöhen und der spezifische Kraftstoffverbrauch um ca. 10 % senken, jeweils bezogen auf denselben Motor, jedoch ohne Klopfsensor und entsprechend niedrigerem Verdichtungsverhältnis.

Der oder die zum Fühlen der Klopfgefahr und/oder des Klopfens'erforderlichen Klopfsensoren können entsprechend den bereits bekannten Klopfsensoren ausgebildet sein, beispielsweise als Mikrofone, magnetostriktive Geber oder dergleichen.

Der Kraftstoffgehalt der Ladung ist der Gewichtsanteil des Kraftstoffes am Ladungsgewicht.

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Zurair.dest in vielen Fällen ist es ausreichend und wegen der Einfachheit vorteilhaft, beim Fühlen der Klopfgefahr bzw. des Klopfens den Kraftstoffgehalt der zur Verbrennung bestimmten Ladung sofort in einem einzigen Schritt zu verringern.

Noch höhere Verdichtungsverhältnisse und Kraftstoffeinsparungen lassen sich erreichen, wenn man gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung vorsieht, daß beim Fühlen der Klopfgefahr bzw. des Klopfens der Kraftstoffgehalt der zur Verbrennung kommenden Ladung stetig oder stufenweise solange verringert wird, bis die gefühlte Klopfgefahr bzw. das Klopfen wieder aufhört.

Nach Beendigung des Klopfens bzw. der Klopfgefahr muß natürlich die Verringerung des Kraftstoffgehaltes der Ladung wieder rückgängig gemacht werden. Dies kann bei einer Weiterbildung des Verfahrens dadurch erfolgen, indem sie in mehreren Schritten oder stetig rückgängig gemacht wird, sobald die gefühlte Klopfgefahr bzw. das Klopfen wieder aufhört. Man kann in vielen Fällen mit Vorteil vorsehen, daß rait der Rückgängigmachung der Verminderung des Kraftstoffgehaltes der Ladung erst eine vorbestimmte kurze Zeitdauer nach Beendigung des Klopfens bzw. der Klopfgefahr begonnen wird , wobei dann die Rückgängigmachung ggfs. in einem einzigen Schritt oder auch zeitlich stetig oder in mehreren Schritten erfolgen kann.

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Die Verminderung des Kraftstoffgehaltes der Ladung kann durch unterschiedliche Maßnahmen vorgenommen werden. Bevorzugt kann hierzu vorgesehen sein, daß der Ladung zur Verminderung

ihres Kraftstoffgehaltes kraftstoffreies Zusatzgas beigemischt wird. Dieses Zusatzgas kann verzugsweise aus Abgas bestehen oder es kann auch gegebenenfalls aus Frischluft od?r Abgas-Luft-Gemisch bestehen. Alternativ oder zusätzlich zu diesen Maßnahmen/zur Verringerung des Kraftstoffgehaltes der Ladung ihr Frischluftanteil erhöht werden. Dies kann durch unterschiedliche Maßnahmen vorgenommen werden. So kann bei Einspritzmotoren die in das Saugrohr oder in den oder die Brennräume eingespritzte Kraftstoffmenge verringert werden. Oder man kann bei Vergasermotoren einen Teil der Frischluft mittels einer Bypass-Leitung am Vergaser vorbei führen, wobei dieser Leitung ein zu ihrem Absperren und öffnen oder gegebenenfalls variablen Öffnen dienendes Ventil zugeordnet ist, das beispielsweise aus einer Drosselklappe bestehen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses von Kolbenbrennkraftmaschinen, bei denen es sich vorzugsweise um Brennkraftmaschinenmit Hubkolben, jedoch auch um Brennkraftmaschinen mit Rotationskolben oder anderen Kolben handeln kann, verwendet werden. Es kann auch vorgesehen sein, daß es dazu verwendet wird, um Kraft-

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stoffe niedrigerer Oktanzahlen verwenden zu können. Auch in diesem Falle lassen sich bezogen auf einen vergleichbaren Motor, der ohne die erfindungsgemäße Maßnahme auf solche Kraftstoffe niedrigerer Oktanzahl ausgelegt ist, höhere Verdichtungsverhältnisse vorsehen.

Die durch das Steuersignal ausgelöste Verringerung des Kraftstoff gehalies dar Ladung kann vorzugsweise 5- 25 % betragen. Bei bisherigen Versuchsmotoren erwiesen sich Verringerungen des Kraftstoffgehaltes um 10 - 15 % als besonders günstig.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann erfindungsgemäß eine Kolbenbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 12 vorgesehen sein.

Die Erfindung kann bevorzugt bei 4-Takt-Otto-Motoren vorgesehen sein, doch kann sie auch Anwendung bei anderen fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmaschinen finden, insbesondere auch bei 2-Takt-Brennkraftmaschinen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

In der einzigen Figur ist mit 1 ein Motorblock einer einen oder mehrere Zylinder aufweisenden Hubkolbenbrennkraftmaschine dargestellt, die einen eine der Leistungssteuerung der Maschine dienende Drosselklappe 21 aufweisenden Vergaser 3 mit vorgeschaltetem Luft-

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filter 2 und ein Saugrohr 4 oder Saugrohrsystem aufweist. Diese Maschine ist selbstansaugend - die Erfindung ist jedoch auch bei Brennkraftmaschinen mit Aufladung anwendbar und saugt die für die Verbrennung des Kraftstoffes erforderliche Frischluft durch das Filter 2 und den Vergaser 3 hindurch in den oder die Arbeitsräume ein, in dem oder denen die Verbrennung der Ladung stattfindet, ' wobei dieser Frischluft im Vergaser 3 Kraftstoff beigemischt wird. Die verbrannte Ladung, die das Abgas bildet, besteht nebst dem hohen Stickstoffanteil zum überwiegenden Restteil aus CO_ und Wasserdampf und verläßt den oder die Arbeitsräume durch das Auspuffrohr 5 oder ein Auspuffrohrsystem. An der Kurbelwelle 6 kann die Nutzleistung dieser Maschine abgenommen werden. Diese Maschine kann aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahme, die nachfolgend noch weiter erläutert wird, mit hohem Verdichtungsverhältnis von z. B. 12:1 ausgelegt werden. Auch kann sie mit hohem Verdichtungsverhältnis für Kraftstoffe relativ niedriger Qualität, beispielsweise für Kraftstoffe mit 90 ROZ ausgelegt werden. Zu diesem Zweck weist sie einen oder mehrere Klopfsensoren 20 und/oder 24 und/oder 25 und/oder 27 auf, die mechanische und/oder akustische Schwingungen fühlen, die auftreten, wenn die Maschine klopft bzw. wenn die Gefahr des Auftretens des Klopfens besteht. Diese Gefahr drückt sich im Auftreten des sogenannten "Klingeins" der Maschine aus. Gegebenenfalls kann sich diese Gefahr auch in rauherem Lauf und Rumpeln der Maschine ausdrücken, was sich ebenfalls akustisch bzw. in mechanischen Schwingungen ausdrückt, die durch entsprechende Fühler gefühlt werden können. Das Klopfen drückt sich in noch stärkeren akustischen und mechanischen Schwingungen aus. Der Klopfsensor liefert ein Schwingungsfrequenzspektrum, aus dem ein das Klopfen bzw. die Klopfgefahr signalisierendes Signal ausgefiltert und verstärkt wird.Der

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Klopfsensor ist also ein Schwingungsfühler oder Schwingungsaufnehmer für akustische und/oder mechanische Schwingungen und ihm können geeignete elektronische Komponenten zur Verarbeitung seines Ausgangssignales zu einem die Klopfgefahr zbw. das Klopfen signalisierenden Steuersignal nachgeschaltet sein, wie Verstärker, Frequenzfilter, Schwellwerts zuf en und dergleichen.

Der Klopfsensor 25 ist ungefähr in Höhe des oberen Totpunktes des oder der Kolben des Motorblockes 1 angeordnet. Der Klopfsensor 24 ist an der Kurbelkammer und der Klopfsensor 20 am Ansaugrohr in der Nähe des Motorblocks 1 angeordnet. Der Klopfsensor 27 ist dagegen in geringem Abstand vom Motorblock 1 frei angeordnet und ein rein akustischer Aufnehmer. Die übrigen Klopfsensoren können auf akustische und/oder mechanische Schwingungen ansprechen.

Das oder die Ausgangssignale des oder der vorgesehenen Klopfsensoren werden zu einer Schaltungsanordnung 12 geleitet, die aus ihm bzw. ihnen bei Klopfen bzw. bei Klopfgefahr das oben erwähnte Steuersignal ableitet und dieses Steuersignal wird einem Stellglied 12' zum Verstellen eines Ventils 11 zugeleitet, das in die vom Auspuffrohr 5 zum Saugrohr 4 stromabwärts des Vergasers führende Abgasrückleitung 10 zum Absperren und vorzugsweise variablen öffnen dieser Abgasrückleitung 10 zwischengeschaltet ist. Sobald das die Klopfgefahr bzw. das Klopfen signalisierende Steuersignal auftritt, löst das Glied 12' öffnen des Absperrventiles 11 aus, und, wenn das Steuersignal wieder aufhört, wird

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das Ventil 11 vorzugsweise mit geringer Zeitverzögerung wieder abgesperrt. Solangedas Ventil 11 nicht abgesperrt ist, strömt Abgas aus dem Auspuffrohr 5 über die Abgasrückleitung 10 in das Saugrohr 4 und bewirkt dadurch Verringerung der den Vergaser 3 durchströmenden Frischluft, wodurch auch der Kraftstoffgehalt der aus der angesaugten Frischluft und dem ihr beigemischten Abgas bestehenden Ladung verringert wird. Hierdurch wird die momentane Klopfgrenze der Brennkraftmaschine erhöht, so daß keine Klopfgefahr mehr besteht bzw. das Klopfen aufhört. Wenn nach Absperren des Ventiles 11 der oder die Klopfsensoren erneut Klopfgefahr bzw. Klopfen signalisieren, wird sofort wieder das sofortiges öffnen des Ventils 11 auslösende Steuersignal erzeugt. Auf diese Weise wird das darch die hohe Verdichtung an sich ohne die erfindungsgemäße Maßnahme unvermeidbare Klopfen verhindert, oder, wenn Klopfen auftritt, wird es sofort durch die Beimischung des Abgases beendet und tritt dann jeweils nur so kurzzeitig auf, daß dies die Brennkraftmaschine nicht störend beansprucht. Dagegen wird durch die anwendbare höhere Verdichtung der thermodynamische Wirkungsgrad dieser Maschine verbessert und der Kraftstoffverbrauch reduziert.

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Leerseite

Claims

Dr.-iag.Dip! ?h>8. OSKAR KÖNIG Patentanwalt

Zugelassener Vertreter beim Europäischen Patentamt

Tek-x: 07-22?4? Koun Deutfirne Bank AQ Slut.p.irt

KaMo Nr. S3 CO 300 (aLZ CCO ?00 ?0)

Telefon: (07 H) 23 64 61 . _JD

Postscheck Stgt. 84319-701

Telegramm: Koenigpat 7000 STUTTGART-I, Klüpfelstraßa 6 (BLZ 60010070)

Postfach 51

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Patentansprüche

Verfahren zum Betreiben einer fremdgezündeten Kolbenbrennkraftmas chine, vorzugsweise einer 4-Takt-Kolbenbrennkraftmaschine, bei der im Betrieb das Annähern ihres jeweiligen Betriebszustandes an die momentane Klopfgrenze und/oder das Überschreiten der momentanen Klopfgrenze selbsttätig gefühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim Fühlen der Klopfgefahr bzw. des Klopfens sofort der Kraftstoffgehalt der in dem mindestens einen Arbeitsraum der Kolbenbrennkraftmaschine zur Verbrennung kommenden Ladung vorübergehend verringert wird. " ·

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Fühlen der Klopfgefahr bzw. des Klopfens sofort in einem einzigen Schritt der¹ Kraftstoffgehalt der zur Verbrennung kommenden Ladung verringert wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß beim Fühlen der Klopfgefahr bzw. des Klopfens der Kraftstoffgehalt der zur Verbrennung kommenden Ladung stetig öder stufenweise so lange verringert wird, bis die Klopfgefahr bzw. das Klopfen wieder aufhört.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verminderung des Kraftstoffgehaltes- der Ladung in einem oder in mehreren Schritten oder stetig rückgängig gemacht wird, sobald die gefühlte Klopfgefahr bzw. das Klopfen wieder aufhört.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Rückgängigmachung der Verminderung des Kraftstoffgehaltes der Ladung eine vorbestimmte kurze Zeitdauer nach Beendigung der Klopfgefahr bzw. des Klopfens begonnen wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung des Kraftstoffgehaltes der Ladung ihr kraftstoffreies Zusatzgas beigemischt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzgas Abgas der Brennkraftmaschine oder ein Abgas-Luft-Gemisch verwendet wird.

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8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung des Kraftstoffgehaltes der Ladung ihr Frischluftanteil erhöht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzgas Luft verwendet wird.

10.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Klopfgefahr bzw. Klopfen die jeweilige Zufuhr von Kraftstoff um 5 bis 25 Gewichts%, vorzugsweise 10 bis 15 Gewichts% gegenüber der unter den momentanen Bedingungen normalen Zufuhr von Kraftstoff vermindert wird.

11.Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses der Kolbenbrennkraftmaschine.

12λKclbenbrennkraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Pühlvorrichtung zum Fühlen der Annäherung ihres jeweiligen Betriebszustandes an die momentane Klopfgrenze und/oder zum Fühlen des Überschreitens dieser momentanen Klopfgrenze aufweist, die im Gefolge ihres Ansprechens die momentane Klopfgefahr bzw. das Überschreiten der momentanen Klopfgrenze signalisiert, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (10, 11,12") vorgesehen sind, die im Gefolge des Fühlens der Klopfgefahr bzw. des Klopfens - , ■

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Verringerung des Kraftstoffgehaltes der zur Verbrennung in dem mindestens einen Arbeitsraum der Kolbenbrennkraftmaschine kommenden Ladung bewirken.

13. Kolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Abgasrückleitung (10) aufweist, die von einem Auspuffrohr (5) der Kolbenbrennkraftmaschine zu mindestens einem Kanal (4) führt, der Frischluft oder vorzugsweise Frischluft-Kraftstoff Gemisch führt und daß dieser Abgasrückieitung ein ihrem Absperren und Öffnen dienendes Ventil (11) zugeordnet ist, das bei Fühlen der Klopfgefahr bzw. des Klopfens vorübergehend geöffnet wird.

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